Diversidad de ideas

Me gusta escribir sin tener un objetivo predeterminado y hacer un vuelo rasante sobre la física para escribir todo lo que estoy viendo (lo que sin llamarlo, acude a mi mente en cada instante). Es un buen ejercicio de repaso de cosas diversas que recuerdas. Por ejemplo, ahora mismo me llega la idea de que, desde la más remota antigüedad nos viene fascinando los fenómenos ópticos. De hecho, los estudios encaminados a desvelar la naturaleza de la luz han sido uno de los motores más fructíferos de la física. A ello se dedica la óptica, hoy día una de las áreas más activas de la física.

Buena prueba de ello es la rápida sucesión de Premios Nobel en ese campo en años recientes: 1.997, 2.001 y 2.005. La mitad del último premio fue a manos de Roy J. Glauber, de la Universidad de Harvard, “por sus contribuciones a la teoría cuántica de la coherencia óptica“. Estas contribuciones se recogen esencialmente en tres artículos publicados en 1.963 (se lo reconocen en 2.005). Sobre ellas se ha desarrollado la óptica cuántica. En la luz se apreció por primera vez la naturaleza dual onda-partícula de los objetos cuánticos.

El comportamiento ondulatorio de la luz sirvió de prueba experimental para la teoría electromagnética de Maxwell. La idea de la luz como un haz de fotones reapareció con Einstein en 1.905 para explicar el efecto fotoeléctrico (que le valió el Nobel de física). El dualismo onda-partícula de la luz, que De Broglie extendió a las partículas materiales, es contradictorio en el marco de la física clásica. Para reconciliar ambas imágenes hubo que desarrollar la física cuántica. No obstante, como señalaba Glauber en uno de los artículos mencionados, “la teoría cuántica ha tenido una influencia sobre la óptica que es sólo una fracción de la que históricamente ha tenido la óptica sobre la teoría cuántica”.

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Lo cierto es que miremos donde miremos… la materia y la energía están presentes. No importa que estémos en micromundo de la mecánica cuántica o en el macromundo de los cúmulos de galaxias, siempre nos toparemos con la energía que impregna todo el espacio y que adopta las diferentes y caprichosas formas que podemos ver y, seguramente otras que ni intuimos que están ahí. Materia = Energía pero, ¿qué son,  en realidad y en su más profundo origen esas “cosas”?  ¡Materia! y “Energía! que siendo lo que conforma y mueve al universo entero, no hemos podido llegar a saber ni su verdadero origen ni su auténtico significado.

Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc².  Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c²) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía.  Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química.  La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.

Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza.  Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.

Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra.  El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX.  Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.

El Espacio y el Tiempo están tan unidos que, desde la Teoría de la Relatividad Especial y con la ayuda de Minkouski, le llamamos espaciotiempo como si de una sola entidad se tratara y el uno sin el otro no pudieran existir y, junto a la materia-energía, conforman un todo profundamente estable en el conocimiento de la Naturaleza que perseguimos.

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en buena mendida, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.

Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor.  Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein, que esencialmente afirma:

Materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo

Esta ecuación engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el big bang, y seguramente el propio destino del Universo. Pronto se cumplirá un siglo desde que se dio a conocer al mundo y, todavía, sigue dando resultados positivos que nos llevan a conocer, algunos aspectos del Universo que permanecían escondidos.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría. Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

Einstein, como todos sabeis, se apoyo en otros muchos para formular sus teorías relativistas desde Mach, Maxwell y Lorentz hasta el propio Riemann. Sin embargo, fue él quien tuvo la chispa de ingenio de ver con claridad el significado de todos aquellos postulados que andaban sueltos por el mundo de la física y supo reunirlos en una teoría coherente y unificadora que, a lo largo del tiempo, ha sido demostrada de manera más que suficiente y aclaratoria.

La obra de Einstein está revestida de grandes éxitos en el campo de la Física y de la Cosmología, y, hasta tal punto es así que, el Cosmos sería otro sin la teoría de la Relatividad General de cuyas ecuaciones -arriba reseñadas- aún se están obteniendo consecuencias mucho más allá de los agujeros negros.

También esa simple ecuación que, se está convirtiendo en uno de los mayores logros de la Humanidad, por su sencilles y simpleza en contraposición con su profundidad y complejidad en cuanto a los mensajes que encierra, como por ejemplo, el hecho de que dichas ecuaciones de campo de la teoría de Einstein emerjan como por encanto desde las profundidades de la Teoría de cuerdas. Sin que nadie las llame, allí aparecen.

¿Qué tienen estas ecuaciones? ¿Qué mensajes nos envía? ¿Qué secretos encierran? y, ¿cómo debemos entender eso que llamamos espacio-tiempo? Nuestra imaginación no descansa y viaja hasta la complejidad de del Tiempo y del Espacio, del Pasado y del Futuro mientras que vivimos una realidad en el Presente.

Las teorías sobre la estructura del espacio-tiempo han sido objeto de muchas discusiones entre los físicos y los filósofos a lo largo de la historia, y de ninguna manera podemos decir que se haya llegado a una solución definitiva. En los últimos siglos las posturas se han polarizado en dos teorías. Por una parte el substantivismo, que considera al espacio-tiempo como una entidad independiente de las cosas materiales, prescindiendo de que existan o no, y por otra parte, el relacionalismo, que reduce la naturaleza del espacio-tiempo al conjunto de relaciones entre los corpúsculos o partículas elementales de las que está compuesta la materia y que, por consiguiente, no puede existir sin estos corpúsculos materiales. Es decir, sin materia no habría espacio-tiempo.

El defensor más acérrimo de la teoría relacional fue Leibniz, en contra de Newton, que propugnaba el substantivismo. Según Leibniz, el espacio no era más que el conjunto de relaciones entre los puntos (mónadas) materiales que existen simultáneamente, mientras que el tiempo no era más que el conjunto de relaciones entre puntos que no existen simultáneamente y uno es el origen (la causa) del otro.

   ¡Siempre queriendo atrapar cosas!

Para Newton, en cambio, el espacio es un gran contenedor donde se mueven los cuerpos materiales, y el tiempo es un flujo universal que se mueve en una dirección independientemente de que hubiese objetos externos. Los dos filósofos eran coetáneos y Leibniz se enfrentó a Neweton por la autoria de algunas ideas que generaron una gran polécimca en su tiempo y que, aún hoy,  se siguen debatiendo.

Las discusiones entre los substantivistas y los relacionalistas se han continuado hasta nuestros días, en que nuevos problemas han aumentado el debate, como el descubrimiento por Gödel de unas soluciones de las ecuaciones de Einstein que implican un tiempo cíclico, o la propuesta de Putnam y Rietdijk, que defiende un mundo de cuatro dimensiones estático, en vez de apoyar la teoría de que el Universo es una sucesión dinámica de mundos tridimensionales.

Las recientes discusiones han ayudado a reflexionar a un grupo de filósofos y físicos, que se han decidido a crear una plataforma internacional para estudiar los temas del espacio-tiempo, y así nació la Spacetime Society, dirigida por el Profesor Veselin Petkov de la Universidad Concordia de Montreal para involucrar a físicos y filósofos en la persecución del saber sobre ese espaciotiempo misterioso.

El tipo de vórtice que existe alrededor de la Tierra existe magnificado por todo el universo, alrededor de estrellas de neutrones, agujeros negros  y núcleos galácticos creando distintas distorsiones en la fábrica del espaciotiempo.  Los agujeros negros en realidad están girando y se comportan como inmensos giroscopios que crean a su alrededor misteriosos lugares en los que el espaciotiempo dejan de existir y se produce una densidad y curvatura “infinitas”, como si de otro “mundo” se tratara, nadie sabe lo que hay en el interior de los agujeros negros y en qué se ha convertido la materia que sirvió para conformar tan exóticos objetos.

Viejo es el debate sobre si estos vortices generados por los efectos de la materia generadora de la gravedad pueden servir como agujeros de gusano para viajar en el tiempo. Precariamente podemos postular la posibilidad de que los vórtices pueden funcionar como “stargates” a diferentes escalas ya que ocurren en toda la naturaleza. El efecto de la materia y la energía doblando el espacio para crear una puerta hiperdimensional dentro de la geometría euclidiana que rige nuestras vidas cotidianas.  Aunque en el universo de Einstein esto está limitado por la imposibilidad de superar la velocidad de la luz, el mismo Eisntein dijo alguna vez que “la distinición entre el pasado, el presente y el futuro es solamente un ilusión  muy persistente”..

emilio silvera

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Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos. Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Cuando hablamos de la relatividad general, estamos tratando el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente  importante para mantener a los componentes del Universo juntos. De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

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