Revoluciones científicas ¡La Relatividad!

  Otro rumor del saber

La Escuela Jónica Fundada por Tales de Mileto en el siglo VI a.C. TALES DE MILETO (625-546)

Las fuerzas magnéticas y eléctricas están entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consiguió formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas eléctricas y magnéticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consiguió la teoría unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.

La interacción es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante débil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electrón y 2hc (dos veces la constante de Planck por la velocidad de la luz). Esta fracción es aproximadamente igual a 1/137’036…, o lo que llamamos α y se conoce como constante de estructura fina.

En general, el alcance de una interacción electromagnética es inversamente proporcional a la masa de la partícula mediadora, en este caso, el fotón, sin masa, lo que hace que tenga un alcance infinito.

Eso es lo que imaginamos pero… ¿Qué maravillas tendremos dentro de 150 años? ¿Qué adelantos científicos se habrán alcanzado? ¿Qué planetas habremos colonizado? ¿Habrá sucedido ya ese primer contacto del que tanto hablamos? ¿Cuántas “Tierras” habrán sido encontradas? ¿Qué ordenadores utilizaremos? ¿Será un hecho cotidiano el viaje espacial tripulado? ¿Estaremos explotando las reservas energéticas de Titán? ¿Qué habrá pasado con la Teoría de Cuerdas? Y, ¿Habrá, por fín aparecido la dichosa “materia oscura”? Haciendo todas estas preguntas de lo que será o podrá ser, nos viene a la memoria todo lo que fue y que nos posibilita hacer estas preguntas.

Una cosa nos debe quedar bien clara, nada dentro de 250 años será lo mismo que ahora. Todo habrá cambiado en los distintos ámbitos de nuestras vidas y, a excepción del Amor y los sentimientos que sentiremos de la misma manera (creo), todo lo demás, habrá dado lugar a nuevas situaciones, nuevas formas de vida, nuevas sociedades, nuevas maneras y, podríamos decir que una Humanidad nueva, con otra visión y otras perspectivas que, no sabemos si será mejor o peor, lo único de lo que estamos seguros es que será diferente.

No pocas veces, el Ser Humano se ha empeñado en “construir” su propia destrucción, y, en este caso, no creo que será diferente: Aceleradores de partículas de fiuerzas inusitadas que no seremos capaces de controlar, roborts tan avanzados que podrán pensar por sí mismos y ser conscientes de que, no nos necesitan para nada, surgiendo una nueva especie artificial que acabará con la nuestra… También es posible que sepamos esquivar todos esos peligros muy reales, y, habremos conseguido los conocimientos necesarios para poder viajar a las estrellas.

Nuevas maneras de sondear la Naturaleza y desvelar los secretos

Pero echemos una mirada al pasado. Dejando a un lado a los primeros pensadores y filósofos, como Tales, Demócrito, Empédocles, Ptolomeo, Copérnico, Galileo, Kepler y otros muchos de tiempos pasados, tenemos que atender a lo siguiente:

Nuestra Física actual está regida y dominada por dos explosiones cegadoras ocurridas en el pasado: Una fue aquel artículo de 8 páginas que escribiera Max Planck, en ese corto trabajo dejó sentados los parámetros que rigen la Ley de la distribución de la energía radiada por un cuerpo negro. Introdujo en física el concepto novedoso de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de en una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.

Un amigo físico me decía: cuando escribo un libro, procuro no poner ecuaciones, cada una de ellas me quita diez lectores. Siguiendo el ejemplo, procuro hacer lo mismo (aunque no siempre es posible) pero, en esta ocasión dejaremos el desarrollo de la energía de Planck del que tantas veces se habló aquí, y, ponernos ahora a dilucidar ecuaciones no parece lo más entretenido, aunque el lenguaje de la ciencia, no pocas veces es el de los números.

En cualquier evento de Ciencia, ahí aparecen esos galimatias de los números y letras que pocos pueden comprender, dicen que es el lenguaje que se debe utilizar cuando las palabras no pueden expresar lo que se quiere decir. Y, lo cierto es que, así resulta ser.

Después de lo de Planck y su radiación de cuerpo negro, cinco años más tarde, irrumpió en escena otra  revolución de la Física se produjo en 1.905, cuando Albert nació la teoría de la relatividad especial que nos dio un golpecito  en nuestras cabezas para despertar en ellas nuestra comprensión de las leyes que gobiernan el Universo.

Nos dijo que la velocidad de la luz es la máxima alcanzable en nuestro universo, que la masa y la energía son la misma cosa, que si se viaja a velocidades cercanas a la de la luz, el tiempo se ralentiza pero, el cuerpo aumentará su masa y se contraerá en el sentido de la misma…Y, todo eso, ha sido una y mil veces comprobado. Sin embargo, muchas son las pruebas que se realizan para descubrir los fallos de la teoría, veamos una:

Los científicos que estudian la radiación gamma de una explosión de rayos lejanos han encontrado que la velocidad de la luz no varía con la longitud de onda hasta escalas de distancia por debajo de la Longitud de Planck. Ellos dicen que esto desfavorece a algunas teorías de la gravedad cuántica que postulan la violación de la invariancia de Lorentz.

 Apariencia del Espacio-Tiempoa lo largo de una linea del universo de un observador acelerado.

La invariancia de Lorentz se estipula que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de dónde se encuentren en el universo. Einstein utilizó este principio como un postulado de su sorprendente teoría de la relatividad especial, en el supuesto de que la velocidad de la luz en el vacío, no depende de que se esté midiendo, siempre y cuando la persona esté en un sistema inercial de referencia. En más de 100 años la invariancia de Lorentz nunca ha sido insuficiente.

Representación visual de una variedad de Calabi-Yau.  Se postula que las dimensiones extras de la teoría de supercuerdas tienen esta forma queriendo representar las 10 y 11 dimensiones.

La Teoría de cuerdas nos habla de las vibraciones que éstas emiten y que son partículas cuánticas. En esta teoría, de manera natural, se encuentran las dos teorías más importantes del momento: La Gravedad y la Mecánica cuántica, allí, subyacen las ecuaciones de campo de la teoría de la relatividad de Einstein que, cuando los físicas de las “cuerdas” desarrollan su teoría, aparecen las ecuciones relativista, sin que nadie las llame, como por arte de magia. Y, tal aparición, es para los físicos una buena seña.

Sin embargo, los físicos siguen sometiendo a pruebas cada vez más rigurosas, incluyendo versiones modernas del famoso experimento interferométrico de Michelson y Morley. Esta dedicación a la precisión se explica principalmente por el deseo de los físicos para unir la mecánica cuántica con la teoría de Einstein de la Gravedad, dado que algunas teorías de la gravedad cuántica (incluyendo la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles) implica que la invariancia Lorentz podría romperse.

La relatividad general es la teoría de la gravitación publicada por Albert Einstein en 1.915. Según la relatividad general, la fuerza de la gravedad es una manifestación de la geometría local del espacio-tiempo.¡ Matemáticamente, la teoría es modelada según la geometría métrica de Riemann, pero el grupo de Lorentz de las simetrías del espacio-tiempo (un ingrediente esencial de la propia teoría de Einstein de la relatividad especial) sustituye al grupo de simetrías rotatorias del espacio. La LQG hereda esta interpretación geométrica de la gravedad, y postula que una teoría cuántica de la gravedad es fundamentalmente una teoría cuántica del espacio-tiempo.

En los años de 192o, el matemático francés Élie Cartan formuló la teoría de Einstein en el lenguaje de fibrados y conexiones, una generalización de la geometría de Riemann a la cual Cartan hizo contribuciones importantes. La así llamada teoría de Einsten-Cartan de la gravedad no solamente reformuló sino también generalizó la relatividad general, y permitió espacio-tiempos con torsón así como con curvatura. En la geometría de Cartan de fibrados el concepto de transporte paralelo es más fundamental que el de distancia, la pieza central de la geometría de Riemann. Un similar desplazamiento conceptual ocurrió entre el intervalo invariante de la relatividad general de Einstein y el transporte paralelo en la teoría Einstein-Cartan.

       Un rayo de luz (fotón) como un twistor según la teoría de Penrose

En los años 1960 el físico Roger Penrose exploró la idea del espacio presentándose como una estructura combinatoria cuántica. Sus investigaciones dieron lugar al desarrollo de las redes de spín. Como ésta era una teoría cuántica del grupo de rotaciones y no del grupo de Lorentz, Penrose desarrolló los twistores. Pero nos desviamos del tema, sigamos.

Granot y sus colegas estudiaron la radiación de una explosión de rayos gamma (asociada con una explosión de gran energía en una galaxia distante) que fue descubierto por la NASA con Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Se analizó la radiación en diferentes longitudes de onda para ver si había indicios de que los fotones con energías diferentes llegaron a los detectores del Fermi en diferentes momentos.

Tal difusión de los tiempos de llegada parece indicar que la invariancia Lorentz efectivamente había sido violada, es decir que la velocidad de la luz en el vacío depende de la energía de la luz y no es una constante universal. Cualquier dependencia de la energía sería mínima, pero aún podría resultar en una diferencia mensurable en los tiempos de llegada de los fotones debido a los miles de millones de años luz a la que se encuentran las explosiones de los rayos gamma.

Cuando nos acercamos a la vida privada del genio… ¡también, como todos, era humano!

De la calidad de Einstein como persona nos habla un detalle: Cuando el Presidente Chaim Weizmann de Israel murió en 1952, a Einstein se le ofreció la presidencia, pero se negó, diciendo que no tenía “ni la habilidad natural ni la experiancia para tratar con seres humanos.” Luego escribió que se sentía muy honrado por el ofrecimiento del estado de Israel, pero a la vez triste y avergonzado de no poder aceptarla.

Pero sigamos con la segunda revolución de su teoría que se dio en dos pasos: 1905 la teoría de la relatividad especial y en 1.915, diez años después, la teoría de la relatividad general que varió por completo el concepto del Cosmos y nos llevó a conocer de manera más profunda y exacta la Gravedad, esa fuerza que se genera en prewencia de nasas y mantiene unida las estrellas en las galaxias y los planetas en los sistemas planetarios alrededor de las estrellas.

      La teoría nos decía que el espacio se curva en presencia de grandes masas

En la Teoría Especial de la Relatividad, Einstein se refirió a sistemas de referencias inerciales (no acelerados). Asume que las leyes de la física son idénticas en todos los sitemas de referencia y que la velocidad de la luz en el vacío, c, es constante en el todo el Universo y es independiente de la velocidad del obervador y de la de la fuente que emite la luz.

La teoría desarrolla un sistema de matemáticas con el fin de reconciliar estas afirmaciones en aparente conflicto. Una de las conclusiones de la teoría es que la masa de un cuerpo, aumenta con la velocidad (hay una ecuación quer así lo demuestra), y, tal hecho, ha sido sobradamente comprobado en los aceleradores de partículas donde haces de muones, han aumentado más de diez veces sus masas al circular a velocidades cercanas a la de la luz. Y el muón que tiene una vida media de dos millonésimas de segundo, además, al desplazarse a velocidades relativistas, también ven incrementado el tiempo de sus vidas.

El Acelerador de Partículas LHC es una Obra inmensa que ha construido el SER Humano para saber sobre la Naturaleza de la materia y…

Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de datos a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.

El LHC es un esfuerzo internacional, donde participan alrededor de siete mil físicos de 80 países. Consta de un túnel en forma de anillo, con dimensiones interiores parecidas a las del metro subterráneo de la Ciudad de México, y una circunferencia de 27 kilómetros. Está ubicado entre las fronteras de Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, a profundidades que van entre los 60 y los 120 metros debido a que una parte se encuentra bajo las montañas del Jura

La ciencia, en especial la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación; es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto que incluye, en cada experimento, los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías, el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo, la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.

Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde una energía L, su masa disminuye en L/c2. Y generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con la ecuación m=E/c2 ( o la más popular E=mc2).

Otras de las conclusiones de su teoría en su modelo especial, está en el hecho de que para quien viaje a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), el tiempo transcurrirá más lento. Dicha afirmación también ha sido experimentalmente comprobada.

Todos estos conceptos, por nuevos y revolucionarios, no fueron aceptados por las buenas y en un primer momento, algunos físicos no estaban preparados para comprender cambios tan radicales que barrían de un plumazo, conceptos largamente arraigados.

       Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas

Fue Max Planck, el Editor de la Revista que publicó el artículo de Einstein de la relatividad, quien al leerlo se dió cuenta de la enorme importancia de lo que allí se decía. A partir de aquel momento, se convirtió en su valedor, y, en verdad, Einstein siempre reconoció  publicamente la ayuda de Planck.

En la segunda parte de su teoría, la Relatividad General,  concluyó que el espacio y el tiempo están distorsionados por la materia y la energía, y que esta distorsión es la responsable de la gravedad que nos mantiene en la superficie de la Tierra, la misma que mantiene unidos los planetas del Sistema Solar girando alrededor del Sol y, también la que hace posible la existencia de las Galaxias.

  ¡La Gravedad! Siempre está presente e incide en los comportamientos de la materia. La gravedad presente en un agujero negro gigante hace que en ese lugar, el tiempo deje de existir, se paralice y el espacio, se curve en una distorsión infinita. Es decir, ni espacio ni tiempo tienen lugar en la llamada singulariudad.

Nos dio un conjunto de ecuaciones a partir de los cuales se puede deducir la distorsión del tiempo y del espacio alrededor de objetos cósmicos que pueblan el Universo y que crear esta distorsión en función de su masa. Se han cumplido 100 años desde entonces y miles de físicos han tratado de extraer las predicciones encerradas en las ecuaciones de la teoría einsteniana(sin olvidar a Riemann ) sobre la distorsión del espaciotiempo.

El agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de campo de Einstein en su teoría: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia del agujero negro, su singularidad.

             Las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein… ¡Nos dicen tántas cosas!

Si tuviéramos un agujero negro del tamaño de la calabaza más grande del mundo, de unos 10 metros de circunferencia, entonces conociendo las leyes de la geometría de Euclides se podría esperar que su diámetro fuera de 10 m.: л = 3,14159…, o aproximadamente 3 metros. Pero el diámetro del agujero es mucho mayor que 3 metros, quizá algo más próximo a 300 metros. ¿ Cómo puede ser esto ? Muy simple: las leyes de Euclides fallan en espacios muy distorsionados.

    Con Einstein llegó la cosmología moderna, otra manera de mirar el Universo

Con esta teoría de la Relatividad General, entre otros pasos importantes, está el hecho de que dió lugar al nacimiento de la Cosmología que, de alguna manera, era como mirar con nueva visión a lo que l Universo podía significar, Después de la teoría relativista el Universo no fue el mismo.

El análisis de la Gravitación que aquí se miuestra interpreta el Universo como un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones en el el que la presencia de una masa (como decía antes) curva el espacio para crear un campo gravitacional.

De la veracidad y comprobación de las predicciones de ésta segunda parte de la Teoría Relativista, tampoco, a estas alturas cabe duda alguna, y, lo más curioso del caso es que, después de casi un siglo (1.915), aún los físicos están sacando partido de las ecuaciones de campo de la teoría relativista en su versión general o de la Gravedad.

Tan importante es el trabajo de Einstein que, en las nuevas teorías, en las más avanzadas, como la Teoría M (que engloba las cinco versiones de la Teoría de Cuerdas), cuando la están desarrollando, como por arte de magía y sin que nadie las llame, surgen, emergen, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General que subyacen en estas modernas teorías como para darle validéz y confirmarlas.

La luz se propaga en cualquier medio pero en el vacío, mantiene la mayor velocidad posible en nuestro Universo, y, hasta el momento, que se sepa, nada ha corrido más que la luz en ese medio. Algunos han publicado ésta o aquella noticia queriendo romper la estabilidad de la relatividad especial y han publicado que los neutrinos o los taquiones van más rápidos que la luz. Sin embargo, todo se quedó en eso, en una noticia sin demostración para captar la atención del momento.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×10¹⁰) de centímetros por segundo. La cantidad c² representa el producto c×c, es decir:

3×10¹⁰ × 3×10¹⁰, ó 9×10²⁰.

Por tanto, c² es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×10²⁰ ergios de energía.

El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10^-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2×10¹⁰ (22 millones) de kilocalorías.  Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.

Emilio Silvera