¡La Física! y sus personajes

George Gamow

(Odessa, Rusia, 1904 – Boulder, Estados Unidos, 1968) Físico estadounidense de origen ruso conocido por sus trabajos en el campo de la bioquímica y la astrofísica. En 1922 ingresó en la Universidad de Novorossia de su ciudad natal, y al año siguiente pasó a estudiar en la Universidad de Leningrado, centro donde obtuvo la licenciatura en 1926 y el doctorado en 1928. Tras completar su formación en la Universidad de Gotinga, en Copenhague, junto a Niels Bohr, y en Cambridge con Lord Rutherford, fue nombrado profesor de la Universidad de Leningrado, cargo que ejerció entre 1931 y 1933.

Durante esta época, sus investigaciones estuvieron centradas en la física atómica. En el curso 1933-1934 estuvo en el Instituto Pierre Curie de París y como profesor visitante de la Universidad de Londres, después viajó a Estados Unidos invitado como lector por la Universidad de Michigan y, a continuación, fue contratado como profesor de Física por la Universidad George Washington de la capital, puesto en el que permaneció hasta 1956.

                                  Universidad George Washington de Michigan

Ya adquirida la nacionalidad estadounidense, durante los años de la Segunda Guerra Mundial fue llamado por el gobierno, como muchos otros científicos, para trabajar en el proyecto de la bomba atómica. Junto con Ralph Alpher desarrolló una teoría sobre la creación de los elementos químicos, basada en la explosión originaria de un átomo primitivo, conocida popularmente como Big Bang, que Georges Lemaître formuló en 1931 y que él contribuyó a divulgar; asimismo, desarrolló la teoría denominada Gamow-Teller y profundizó en el descubrimiento de Hans Bethe sobre el ciclo que produce la energía estelar.

Fue uno de los primeros científicos en contradecir la idea del enfriamiento del Sol, y en cambio, defender su progresivo calentamiento como posible causa de la extinción de la vida terrestre. En 1954 teorizó sobre la composición del código genético a base de tripletas de nucleótidos, y aunque se equivocó en los cálculos, la idea fue confirmada mediante experimentos en 1961. En 1958 contrajo matrimonio con Barbara Perkins. Desde 1956 fue profesor de Física Teórica en la Universidad de Colorado, y ese mismo año recibió el Premio Kalinga, concedido por la UNESCO por su labor divulgativa de la Ciencia. Sus obras más importantes fueron Un, dos, tres… infinito (1947) y La creación del universo (1952).

George Gamow, el excéntrico físico ruso que (en aquellos tiempos) arriesgí su vida para poder venir a trabajar en América, donde se convirtió en uno de los fundadores de la cosmología moderna e incluso contribuyó a la comprensión inicial de la molécula de ADN y el código genético. Gamow, como todos sus contemporáneos podía ver que había cuatro fuerzas distintas en la Naturaleza (Gravedad, Electromagnétismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte). La intensidad de cada una de ellas daría uno de los números puros de Einstein que definen el mundo. Gamow no se veía particularmente atraído por la cuestión de si podía haber sólo un cuarteto de valores posibles. Pero comprender plenamente esos valores -una capacidad de calcularlos o predecirlos de forma precisa- sería para él lo mismo que para un físico el ondear de la bandera de cuadros. Cuando llegara ese día se habría alcanzado una comprensión completa de las fuerzas de la Naturaleza. Gamow se sentía un poco deprimido ante esta perspectiva, comparable a llegar al final de una gran historia o sentarse en la cima de una montaña que uno se ha esforzado en escalar y, al estar allí, preguntarse; ¿Y, ahora qué? ¿Aquí termina todo?

Vayamos hacia atrás en el Tiempo y hablemos un poco de George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.

Pero su pasión real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”. Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica. Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J. J. Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1.897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a esta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1.891 (antes de su descubrimiento).

Stoney, primo lejano y más viejo del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald, después famoso por proponer la “contracción Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primero que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme. Ellas, las constantes, continúan inalterables como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s. Algo análogo ocurre con la gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro  o valor: G = 6’67259 × 10^{-11 m3} s^-2 Kg^-1. Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.

Stoney, profesor de filosofía natural (así llamaban antes a la Física) en el Queen’s College Galway en 1.860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.

Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que él mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en qué tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas o distancias o algún fenómeno: se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos comentado antes. También, como unidades naturales escogió G y c que responde, como se ha explicado, a la gravedad universal y la velocidad de la luz en el vacío.

En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” y dio el primer cálculo de su valor esperado. Demostró que el trío mágico de G, c y e podía combinarse de una manera, y sólo de una, de modo que a partir de ellas se creaban una unidad de masa, una unidad de longitud y una unidad de tiempo. Para la velocidad de la luz utilizó un promedio de las medidas existentes, c = 3 × 10⁸ metros por segundo; para la constante de gravitación de Newton utilizó el valor obtenido por John Herschel, G = 6’67259 × 10^{-11 m3} s^-2 Kg^-1, y para la unidad de carga del “electrino” utilizó e = 10^-20 amperios. Estas fueron las inusuales nuevas unidades que él encontró, en términos de las constantes e, c y G, y en términos de gramo, metros y segundos:

M_i = (e²/g)½ = 10^-17 gramos

L_{i =} ( Ge²/c⁴) ½ = 10^-17 metros

Ti = (Ge²/c⁶)½ = 3 x 10^-16 segundos

Estas son cantidades extraordinarias. Aunque una masa de 10^-7 gramos no es demasiado espectacular-es similar a la de una mota de polvo- las unidades de longitud y tiempo de Stoney eran muy diferentes de cualquiera que hubieran encontrado antes los científicos. Eran fantásticamente pequeñas, rosando lo inconcebible. No había (y sigue sin haber) ninguna posibilidad de medir directamente tales longitudes y tiempos.

En cierto modo, esto es lo que se podría haber esperado. Estas unidades no están construidas deliberadamente a partir de dimensiones humanas, por conveniencia humana o para utilidad humana. Están definidas por la propia fábrica de la realidad física que determina la Naturaleza de la luz, la electricidad y la gravedad (c, e y G). No se preocupan de nosotros. Stoney triunfó de un modo brillante en su búsqueda de un sistema de unidades sobrehumanas.

Stoney señaló el camino que más tarde, siguió Planck para elaborar sus unidades y, entre ambos, nos han llevado al Universo de lo infinitesimal que, no por pequeño es menos importante, tanto es así que, estas unidades son las que marcan el límite de nuestras teorías actuales, no podemos ir más allá de su límites. Así resulta ser, por ejemplo con la Teoría M que, necesitando de la energía dee Planck para su verificación, no la tendremos ni ahora ni en muchas generaciones venideras.

La interpretación de las unidades naturales de Stoney-Planck no era en absoluto obvia para los físicos. Aparte de ocasionales comentarios de pasada, sólo a finales de la de´canda de 1960, el estudio renovado de la cosmología llevó a una plena coprensión de estos patrones extraños. Uno de los cuuriosos problemas de la física es que tiene dos teorías hermosamente efectivas -la mecánica cuántica y la relatividad general- pero gobiernan diferentes dominios de la naturaleza.

La una se encarga del micromundo de los átomos y de las partículas elementales. Por el contrario, la relatividad, es siempre necesaria cuando algo viaje a velocidades aluninantes cercanas a c, o, cuando está presente un cuerpo macroscópico que, como las galaxias, influyen en el espacio tiempo para distiorsionarlo y curvarlo. Asó que, con estos resultados, ambas teorías gobiernas “universos diferentes” y, esas fuerzas, no tienen ocasión ni oportunidad de “hablar entre sí” están separadas por distancias que, al parecer, y, al menos hasta el momento, son inalcanzables para ellas.

Hemos hablado de todos esas cuestiones y, de alguna manera, están relacionadas con la transmisión de información. Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento de la información están impuestos por las constantes de la Naturaleza. Em 1981, un físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una prredicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros. Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede alnacenarce dentro de cualquier volumen.  Esto no debería sorpenedernos, lo que debe´ria hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen.

El número máximo de bits de información que puede alnacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área supercicial en unidades de Planck, Supongamos que la región esférica. Entonces su área superficieal es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud e Planck al cuadrado (10^-66 x R². Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almnacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de la información que viene impuesto por las constantes de la Naturaleza, ninguna información se puede tansmitir más rápida que la velocidad de la luz. de Esa manera, de alguna forma, se han unido las dos teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad, y, cada una de ellas, impone su criterio en el área que le corresponde mandar.

Todas las estructuras del Universo que se comportan como objetos estables, en realidad, se muestran así como consecuencia de que son, malabarismos que se producen entre dos fuerzas antagónicas equivalentes que consiguen esa “delicada” estabilidad que está centrada en la lucha entre la atracción y la reoulsión. Por ejemplo, en un planeta, como la Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la Gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos y se llegan a degenerar por el Principio de exclusión de Pauli quen no permite que dos fermiones ocupen el mismo lugar. Todos esos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de los números puros de Stobe-Planck creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_pr

α = 2πe^₂/hc = 1/137

α_G = Gm_pr ²/hc ≈ 10^-38

La identificación de constantes de la Naturaleza como α y α_G, junto con los números que desempeñam el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la Naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes al nuestro. Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la Naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizadas por duiferentes valores de constantes adimensionales. estos cambios numéricos alteran toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los equilibrios entre los fuerzas serán diferentes de los que se dan en el nuestro. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La Gravedad podría tener un papel más pequeño en esos otros mundos. La Naturaleza cuántica de la realidad podría intervenir en lugares inimaginables.

Claro que, nosotros, nos tenekos que ceñir a éste, nuestro Universo que nos muestras unas leyes y unas constantes que son como son y no de otra manera y, de esa forma, está construido nuestro universo conocido que, en alguna ocasión he pensado sino tendrá “otro universo” escondido dentro de este mismo.

emilio silvera

[?]