No pocas veces nos encontramos con hechos que aunque han tenido la participación de los humanos, parecen tener su origen en otro ámbito más alto de éste nuestro, en otro lugar donde el entendimiento sería superior y las mentes tuvieran la potestad de ver secretos de la Naturaleza profundamente escondidos. En física tenemos multitud de ejemplos de esto que digo: Me vienen a la mente las ecuaciones conocidas como de Yang-Mills que indicaban que los gluones, las partículas gauge que transportan la fuerza más poderosa de las cuatro conocidas para mantener unidos los Quarks dentro del núcleo, debían carecer de masa, como los fotones y los gravitones.

¿Por qué, entonces la fuerza nuclear fuerte se hace sentir sólo a corta distancia, cuando la luz y la gravitación tienen un alcanza infinito?

La respuesta la tenemos en la Cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza intensa, es que ésta aumenta su poder cuando los Quarks que aprisiona tratan de separarse, en vez de debilitarse como el electromagnetismo y la gravitación con la distancia, la fuerza nuclear fuerte aumenta. Ahí surgió el origen de confinamiento de los Quarks” que, obligados por una “nube” de Gluones, el Bosón mediador de esta fuerza.

También aclaró la Cromodinámica cuántica el funcionamiento de la fuerza débil: el fenómeno antes misterioso de la desintegración radiactiva Beta que pudo ser interpreta ahora como la conversión de un Quark down en un Quark up, convirtiéndose el neutrón,  formado por dos Quarks down y un Quark up, en un protón que consiste en dos Quarks up y un Quark down.

La simetría como se pudo ver más tarde, iba a desempeñar un papel destacado en el ulterior desarrollo de la teoría cuántica de campo, y hasta señaló el camino hacia una teoría unificada de la “supersimetría”, capaz de unir todas las partículas y campos bajo el manto de un sólo conjunto de ecuaciones. Yang escribió:

“La Naturaleza parece aprovechar la representación matemática simple de las leyes de simetría. La elegancia intrínseca y la bella perfección del razonamiento matemático involucrado, así como la complejidad y profundidad de sus consecuencias físicas, son una gran fuente de estímulo para los físicos. Uno aprende a alentar la esperanza de que la Naturaleza posee un orden que podemos aspirar a comprender.”

La Simetría de la Naturaleza nos rodea por todas partes y, a nuestro alrededor, mirémos donde podamos mirar, allí está presente y, sin embargo, de ninguna manera son manifiestas todas las simitrías de la Naturaleza. Vivímos en un mundo imperfecto, en el que muchas de las simetrías que aparecen en las ecuciones están rotas.

De todos es bien conocido que, el mismo Yang, en colobaración con Tsung Dao Lee, identificó una discreta simetría en la fuerza débil, llamada violación de la paridad. En 1956, ambos predijeron sobre bases teóricas, que el espín de las partículas provenientes de la desintegración Beta mostrarían una ligera preferencia por una dirección sobre la otra. Experimentos realizados, así lo confirmaron y les valió el Premio Nobel a Lee y Yang (aunque no a Wu por razones desconocidas). Aquello sirvió para atraer la atención sobre el hecho de que la Naturaleza, sea simétrica en algunos aspectos y asimétrica en otros.

Las conocidas como moléculas quirales pueden existir en dos formas, siendo una la imagen especular no superponible de una sobre la otra, incluso aunque ambas tienen la misma composición química … Si bien los experimentos de laboratorio tienden a producir cantidades iguales de las versiones dextrógiras y levógiras, muchas de las moléculas quirales encontradas en organismos vivos proceden de una de las variedades … Por ejemplo, los aminoácidos que forman las proteínas solo aparecen en la forma levógira, mientras que los azúcares del ADN sólo en la dextrógira … ( la dextrosa o glucosa, es un azúcar que desvía el plano de polarización a la derecha) …

Los científicos han debatido desde hace mucho sobre esta asimetría en los seres vivos … Algunos han defendido que un número igual de ambas versiones de la molécula quiral estaba presente en el inicio de la vida, y que sólo durante la evolución biológica tuvo lugar el desequilibrio … Esa visión se ha ido haciendo cada vez menos popular, no obstante, al darnos cuenta de que el proceso fundamentalmente importante del plegamiento de proteínas parece requerir un desequilibrio quiral, aunque el que la naturaleza haya seleccionado la quiralidad derecha o izquierda para cada molécula durante la evolución implicaría procesos extremadamente complejos …

Los cuernos de una cabra paquistaní, la imagen de un ciclón visto desde el espacio, una galaxia o una concha, la chica que arriba nos mira. Son formas que se nos viene a la vista, aspectos de la realidad que llaman poderosamente nuestra atención y nos lleva a preguntar: ¿Por qué se forman y repiten esas figuras una y otra vez, y, en cada caso, una es la “copia exacta” de todas las demás de su género? ¿Es posible que el hombre, al contemplar tales maravillas comenzara a hacer preguntas y diera lugar al nacimiento de la Ciencia? Las matemáticas comenzaron por el asombro que despertaban las formas geométricas  y de la misma manera, nacieron los primeros problemas de la física clásica centrada en las órbitas de los astros y las trayectorias de proyectiles.

La geología estudia la forma de las piedras y volcanes y la biología se ocupa de las formas de los seres vivos y de como ésta ha ido cambiando a lo largo del tiempo. Pero, ¿cómo explicar los mecanismos que crean el aspecto exterior de la realidad que podemos percibir? ¿Y por qué existen las mismas estructuras tanto en los organismos vivos como en el mundo inanimado?

Observamos la Naturaleza y podemos contemplar formas armoniosas y elegantes, entendiendo que son cuerpos bellos y simétricos en todas sus versiones. Por ejemplo, amí siempre me llamó la atención la simetría por traslación que se puede encontrar en la disposición de las hojas.

Si nos fijamos y analizamos como se van desarrollando hacia la estremidad de su rama, aparecen con la misma forma inicial. Un asimetría que está presente en los arganismos que cuentan con una estructura en la que se repiten segmentos iguales, con los mismos aparatos y los mismos órganos, como el trilobites, fósil del Paleozóico (lombriz y sanguijuela), y algunas plantas.

En cambio la simetría por rotación se encuentra en los pétalos de una flor o en los tentáculos de una medusa: aunque sus cuerpos roten, permanecen iguales. No debemos olvidar la simetría bilateral que hace que los lados derecho e izquierdo sean iguales y se presenta en casi todos los animales, incluido nosotros. Pero es uniendo estos aspectos cuando se obtienen figuras realmente armoniosas. Si se trata de desplazamiento y rotación en un  mismo plano hablamos de una espiral, mientras que en el espacio sería una hélice, aunque ambas se encuentran por todas partes en la naturaleza.

Las simetrías se generan mediante las fuerazas que actúan sobre los cuerpos, descritas por leyes rigurosas e inequívocas, como una fórmula matemática y dependen de la existencia de fuerzas distintas que actúan en diversas  direcciones. Si éstas permanecen en equilibrio, no hay preferencia alguna hacia arriba o abajo, a la derecha o a la izquierda, y los cuerpos tenderán a ser perfectamente esféricos, como suele ocurrir en el caso de virus y bacterias. Además, cuando el aspecto no es el de una esfera perfecta, la Naturaleza hará todo lo posible para hacercarse a esta forma.

En todo esto, y, para que así ocurra, tiene que estar presente la Gravedad. Veamos:

Parémonos un momento en la gravitación y generalicemos el concepto de simetría, ampliándolo a las fórmulas matemáticas. Veamos  la fórmula de Newton, pero expresándola con palabras, de esta manera: la fuerza de atracción entre dos cuerpos es proporcional al producto de dos términos: el primero es la masa de un cuerpo dividido por su distancia al otro. El segundo término es la masa del otro cuerpo dividido por su distancia al primero.

Con símbolos matemáticos escribiríamos:

F(M/d) × (m/d)

Es la misma fórmula de siempre, pero la hemos puesto así para visualizar que la gravitación se puede expresar con una fórmula bastante simétrica: los dos términos de la derecha de la ecuación son “casi” simétricos ¿no es verdad?

Este concepto más general de simetría es muy profundo, porque nos lleva a pensar que la Naturaleza y las leyes físicas que la describen también obedecen a las leyes de la simetría, igual que la materia, en sus manifestaciones externas, las obedece en muchos casos.”

¿Sería posible que la simetría material tuviera un paralelismo en la abstracción intelectual que son las leyes físicas? Desde luego hace falta un esfuerzo mental considerable para pasar de lo material a lo intelectual, pero cuando se profundiza en ellla, la conexión aparece.

En la naturaleza existen muchas cosas que nos pueden llevar a pensar en lo complejo que puede llegar a resultar entender cosas que, a primera vista, parecían sencillas. Me explico:

Fijémonos, por ejemplo, en una Flor de Girasol y en las matemáticas que sus semillas conllevan. Forman una serie de números en la que cada cifra es la suma de las dos precedentes (por ejemplo 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233…) se denomina, en términos matemáticos, sucesión de Fibonacci, una ley que se cumple incluso en el mundo vegetal, como hemos podido comprobar en las semillas del girasol, dispuestas en espiral y que respetan ésta fórmula.

En el mundo inorgánico las leyes de la cristalización del agua congelada, determinadas por las fuerzas que actúan entre las moléculas, hacen que los cristales adopten formas que son infinitas y varían con respecto a un tema común: la estrella de seis puntas. Sin embargo, los planetas son esféricos porque han nacido en la nube primordial que rodeaba al Sol, atrayendo materia indeferentemente de todas partes.

Por otro lado, cuando la fuerza de la Gravedad actúa en una dirección y permite distinguir lo alto de lo bajo, los cuerpos asumen formas que gozan de simetría por rotación, en torno a un eje vertical, como las flores, los árboles, las medusas. Si este organismo presente ojos y boca sobre la parte anterior del cuerpo para alcanzar la comida antes que sus competidores (que es lo que sucede con los animales superiores) tenderá a mantener una correrspondencia bilateral, lo que hace relativamente intercambiables derecha e izquierda.

Los seres humanos (su exterior) somos buenos ejemplos de esto. Tenemos una casi igualdad entre las dos partes de nuestro cuerpo que se obtendrían dividiéndolo por una línea que pasa por el centro de la nariz y por el centro del ombligo. La figura de arriba muestra el famoso estudio sobre la simetría del cuerpo humano de Leonardo da Vinci.

¿Cómo podemos llegar a la simetría presente en las manchas del leopardo? Pues, tiene su explicación científica, tanto en este animal como en otros felinos, ocurre ésta particularidad de ser poseedores de una piel exterior que los singulariza de otros por su perfecta simetría y belleza de las formas en su conjunto.

Claro que, en la Naturaleza, nada ocurre porque sí, todo tiene su por qué, y, todo lo que en ella podemos contemplar posee una funcionalidad que está directamente relacionada con su mecánica, con el medio en el que habita, con lo que el Universo espera que haga en su medio y, para ello, dota a cada figura con aquellos “trajes” que mejor les permita realizar aquello para lo que están destinados.

                 Simetría en las galaxias espirales

Vamos a generalizar un paso más el concepto de simetría, planteándonos ahora si es posible que una ley física se cumpla en cualquier lugar. ¿En cualquier lugar… de dónde?, ¿de nuestra ciudad?, ¿de nuestro planeta? No: del universo. Una ley que fuera válida en cualquier lugar del universo sería una ley simétrica respecto al espacio. Se cumpliría dondequiera que se hiciese un experimento para comprobarla.

Fíjense que nuestra idea de simetría se va haciendo más compleja y más profunda. Ahora no nos detenemos en ver si la forma material de un objeto es simétrica, ni de si la escritura de una fórmula matemática es simétrica. Ahora nos preguntamos si una ley física es válida en todo el Universo.

La otra simetría interesante para una ley física es la que se refiere al tiempo. Cierta ley física se cumple ahora; ¿antes también?, ¿se cumplirá pasado algún tiempo? Una ley que fuera cierta en cualquier instante de la historia del universo sería una ley simétrica respecto al tiempo.

Lo que ahora nos preguntamos es: ¿son simétricas o no las leyes de la física?

                  Simetría radial de la Gravedad

Hasta donde alcanzan nuestras medidas, las leyes físicas (y, por tanto, la interacción gravitatoria) sí son simétricas respecto al espacio y respecto al tiempo. En cualquier lugar y momento temporal del universo, la Naturaleza se comporta igual que aquí y ahora en lo que se refiere a estas leyes.

Esta simetría es un arma muy poderosa para investigar hacia el pasado y hacia el futuro, ya que nos permite suponer (y, en la medida en que confiemos en la seguridad de la simetría,conocer) condiciones locales donde jamás podremos llegar por la distancia espacial y temporal que nos separa de muchas partes del universo. Así, por ejemplo, gracias a esta simetría, podemos calcular que el Sol lleva 5.000 millones de años produciendo energía y que le quedan, probablemente, otros 5.000 millones hasta que consuma toda su masa. Esto lo podemos aventurar suponiendo que en ese enorme tramo de 5.000 + 5.000 = 10.000 millones de años las leyes físicas que determinan los procesos mediante los cuales el Sol consume su propia masa como combustible (las reacciones nucleares que le permiten producir energía), fueron, son y serán las mismas aquí en el Brazo de orión donde nos encontramos como en los arrabales de la Galaxia Andrómeda donde luce una estrella como nuestro Sol que, también envía luz y calor a sus planetas circundantes, y, por muy lejos que podamos mirar, siempre veremos lo mismo.

Por tanto, en cierto modo, la simetría se vuelve tan importante o más que la propia ley física.

La regularidad de las formas de la Naturaleza se refleja incluso en la cultura humana, que desde siempre intenta inspirarse en el mundo natural para conformar su propio mundo. Existen hélices en las escaleras de palacios, castillos y minaretes y en las decoraciones de esculturas y columnas. Las espirales abundan en los vasos, en los bajorrelieves, en los cuadros,  en las esculturas en los collares egipcios, griegos, celtas, precoolombinos e hindúes e, incluso, en los tatuajes con los que los maoríes neozelandeses se decoran el rostro.

La búsqueda de la perfección geométtrica y de las propiedades matemáticas pueden ser también una guía importante en el estudio científico del mundo. Paul Dirac, una de los padres de la moderna mecánica cuántica, solía decir que “si una teoría es bella desde el punto de vista matemático, muy probablemente es también verdadera”.

A todo esto, no debemos olvidar que todo, sin excepción, en nuestro Universo, está sometido a la Entropía que nos trae el paso inexorable de eso que llamamos “Tiempo”, y que, convierte perfectas simetrias de joven belleza, en deteriorados objetos o entidades que, nos viene a recordar que nada es perpetuo, que todo pasa y se transforma.

Un dolor que llevo dentro de mí es el no poder contemplar la verdadera belleza que, estándo presente en los seres vivos inteligentes, en la mayoría de los casos, se nos queda oculta a nuestra percepción, toda vez que, esa clase de belleza que no podemos ver pero sí percibir, sólo la podemos captar con el trato y la convivencia y, verdaderamente, tengo que admitir que, algunas bellezas que he tenido la suerte de poder “ver” con los ojos del espíritu, llegan a ser segadoras, deslumbrantes, su explendor es muy superior al de la estrella más brillante del cielo, y,  seguramente (estoy seguro) como a muchos de ustedes les pasa, tengo la suerte de tenerla junto a mí desde hace muchos años. y, si pienso en ello en profundidad y detenimiento, no tengo más tremedio que concluir que es ese brillo y esplendor el que me da la fuerza para seguir cada dia en la dura lucha que nos ha tocado participar.

¡Sí que es importante la Belleza! Dirac tenía toda la razón.

emilio silvera

Bosques y Praderas

Lo cierto es que, lo extraño del Universo es que, viéndolo tan cerca (nosotros somos parte de él), a veces nos parece inalcanzable. ¡Es tan grande!

Las poderosas fuerzas geomorfológicas pueden actuar suavemente. La acción de la gravedad puede mover, en cuestión de segundos, enormes volúmenes de tierra y piedras en devastadores deslizamientos y desprendimientos. Con lluvias intensas, la erosión en barrancos y cauces puede transformar los campos y las riberas, e inundar las llanuras durante horas o incluso días. Los vientos huracanados pueden, igualmente, modificar la fisonomía de las costas, y algunas superficies pueden ser remodeladas casi instantáneamente por erupciones volcánicas y terremotos. Pero la denudación de los continentes – el proceso debido a la acción de las inclemencias del tiempo, erosión meteórica y el posterior arrastre de los materiales erosionados – es un cambio gradual con tasas habitualmente bajas, que las alteraciones no se perciben durante el transcurso de una vida.

El Bubnoff (B) – la denudación de 1 mm en mil años (o 1 μm/año) – es una unidad conveniente para medir este cambio. Las precipitaciones, por disolución, reducen las duras rocas ígneas o metamórficas con una tasa comprendida entre 0’5 y 5 B, y las calizas hasta 100 B. La denudación en terrenos generalmente secos se produce a ritmos no mayores de 10 – 15 B, y en los trópicos húmedos llega a los 20 – 30 B. Los cambios en terrenos montañosos pueden ser mucho más importantes, llegando hasta 800 B en zonas de glaciares rápidos (sudeste de Alaska) y hasta los casi 10 KB en las zonas más recientes en continua elevación (la región de Nanga Parbat en el Himalaya). Pero incluso estas altas tasas de denudación son resultado de fuerzas modestas.

Un ejemplo de importancia medioambiental y económica ilustra este lento proceso geomorfológico de baja potencia. Si no hubiera erosión, la profundidad del suelo en los campos de cultivo sería mayor, pero su capa superior se empobrecería en nutrientes, ya que la erosión meteórica, si no es demasiado intensa, es la que repone los minerales en esta capa en la que crecen las raíces, ayudando a mantener la fertilidad del terreno.

La máxima pérdida de suelo compatible con el cultivo sostenido de cosechas es aproximadamente de 11 toneladas por hectárea en la mayor parte del terreno agrícola norteamericano. Cerca de dos quintas partes de los campos de ese país se están erosionando a tasas superiores, y la tasa media nacional de erosión, solamente por agua, es de casi diez toneladas por hectárea, equivalente a 550 B (suponiendo que la densidad del suelo es de 1’8 tn/m³).

El papel dominante de las lluvias en el proceso de la denudación se hace evidente cuando se compara la energía cinética de las gotas de lluvia con la energía de la escorrentía superficial. Las mayores gotas de lluvia, con diámetro comprendido entre 5 y 6 mm, alcanzan velocidades finales de 9 m/s, lo que implica que su energía cinética durante el impacto equivale aproximadamente a 40 veces su masa. Aunque la mitad de la precipitación corriera por la superficie a un velocidad media de un metro por segundo, la energía cinética sería una cuarta parte de la masa en movimiento. Consecuentemente, la erosión resultante de la caída de la lluvia sería dos órdenes de magnitud más potente que la corriente superficial.

La energía total de la denudación global del planeta se puede calcular suponiendo que afecta al menos a 50 B de material, con una densidad media de 2’5 g/cm³ (125 tn/m³) y que la altura media continental es de 850 m. Así, la energía de los campos de la Tierra se reduciría anualmente en 135 PJ. Este flujo, 4’3 GW, es muy pequeño comparado con otros flujos energéticos del planeta, representando el 0’05 por ciento de la energía potencial perdida por las corrientes superficiales de agua, el 0’01 por ciento del calor terrestre e igual a menos de 2×10^-7 veces la radiación solar absorbida  por las superficies continentales. Claramente, en la denudación de los continentes se invierte una parte insignificante de la radiación solar tanto directamente, a través de la luz solar, como indirectamente, con las corrientes de agua y el viento.

Además, hay fuerzas opuestas que anulan este lento cambio. Si no fuera por el continuo levantamiento tectónico, la cordillera alpina, con sus 4.000 metros de altura, sometida a una denudación de 1 – 5 B se nivelaría en menos de cinco millones de años, y sin embargo, la edad de la cordillera es actualmente un orden de magnitud superior.

Tasas de levantamiento comprendidas entre 5 – 10 B son bastantes frecuentes, y muchas regiones están elevándose con tasas superiores a 20 KB, es decir, una tasa hasta 10 veces superior a la tasa de denudación. No obstante, parece ser que en las zonas montañosas cuyas cumbres sobrepasan la cota de nieve, con grandes precipitaciones y gran actividad glacial, la altura está más limitada por una denudación rápida que por la elevación tectónica del terreno. El noroeste del Himalaya, incluyendo la zona del famoso Nanga Parbat, es un claro ejemplo, donde muchos de sus picos sobrepasan los 7.000 m y solamente el 1 por ciento del terreno los 6.000 m.

Encuentros espaciales

                   Siendo temibles localmente, son sucesos de relativa poca importancia globalmente habland0

La más destructiva intensificación temporal de los normalmente suaves flujos de energía geotectónica – erupciones volcánicas o terremotos extraordinariamente potentes – o de energía atmosférica – vientos o lluvias anormalmente intensas -, parecen irrelevantes cuando se comparan con las repetidas colisiones del planeta con cuerpos extraterrestres relativamente grandes.

                La caída sobre la Tierra de un Gran asteroide sí que es temible

La Tierra está siendo bombardeada continuamente por invisibles partículas microscópicas de polvo muy abundantes en todo el Sistema Solar, y cada treinta segundos se produce un choque con partículas de 1 mm de diámetro, que dejan un rastro luminoso al autodestruirse en la atmósfera. También son relativamente frecuentes los choques con meteoritos de 1 metro de diámetro, que se producen con una frecuencia de, al menos, uno al año.

Pero los impactos, incluso con meteoritos mayores, producen solamente efectos locales. Esto es debido a que los meteoritos que deambulan por la región de asteroides localizada entre Marte y Júpiter están girando alrededor del Sol en el mismo sentido que la Tierra, de manera que la velocidad de impacto es inferior a 15 Km/s.

El cráter de Arizona, casi perfectamente simétrico, se formó hace 25.000 años por el impacto de un meteorito que iba a una velocidad de 11 Km/s, lo que representa una potencia cercana a 700 PW. Estas gigantescas liberaciones de energías palidecen cuando se comparan con un choque frontal con un cometa típico. Su masa (al menos de 500 millones de toneladas) y su velocidad relativa (hasta 70 Km/s) elevan su energía cinética hasta 10²² J. Aunque se perdiera un diez por ciento de esta energía en la atmósfera, el impacto sería equivalente a una explosión de unas 2.500 bombas de hidrógeno de 100 megatones. Está claro que un fenómeno de estas características produciría impresionantes alteraciones climatológicas. Sin embargo, no es seguro y sí discutible que un impacto parecido fuese la causa de la extinción masiva del cretácico, siendo lo más probable, si tenemos en cuenta el periodo relativamente largo en que se produjo, que se podría explicar por la intensa actividad volcánica de aquel tiempo.

La frecuencia de impactos sobre la Tierra disminuye exponencialmente con el tamaño del objeto.

Aproximadamente, cada cincuenta o sesenta millones de años se produce una colisión con un cometa, lo que significaría que la biosfera, que ha evolucionado durante cuatro mil millones de años, ha debido superar unos cuarenta impactos de este tipo. Está claro que ha salido airosa de estas colisiones, ya que aunque haya sido modificada, no ha sido aniquilada.

Igualmente, la evolución de la biosfera ha sobrevivido a las explosiones altamente energéticas de las supernovas más “cercanas”. Dado que en nuestra galaxia se produce por término medio la explosión de una supernova cada 50 años, el Sistema Solar se encuentra a una distancia de 100 parsecs de la explosión cada dos millones de años y a una distancia menor de 10 parsecs cada dos mil millones de años. En este último caso, la parte alta de la atmósfera se vería inundada por un flujo de rayos X y UV de muy corta longitud de onda, diez mil veces mayor que el flujo habitual de radiación solar, lo que implica que la Tierra recibiría, en unas pocas horas, una dosis de radiación ionizante igual a la que recibe anualmente. Exposiciones de 500 roentgens son setales para la mayoría de los vertebrados y, sin embargo, los diez episodios de esta magnitud que se han podido producir en los últimos 500 millones de años no han dejado ninguna consecuencia observable en la evolución de la biosfera.

                                                    La radiación cósmica incompatible con la vida

Si suponemos que una civilización avanzada podría preparar refugios para la población durante el año que transcurre ente la llegada de la luz y la llegada de la radiación cósmica, se encontraría con la inevitable dosis de 500 roentgens cada mil millones de años, tiempo suficiente para permitir el desarrollo de una sociedad cuyo conocimiento le sirviera para defenderse de un flujo tan extraordinario y de consecuencias letales. En realidad, somo frágiles dotados de una fortaleza descomunal.

Sí, la Naturaleza nos muestra constantemente su poder. Fenómenos que no podemos evitar y que nos hablan de unos mecanismos que no siempre comprendemos. Nuestro planeta por ejemplo, se comporta como si de un ser vivo se tratara, la llaman Gaia y realiza procesos de reciclaje y renovación por medio de terremotos y erupciones volcánicas, tsunamis y tornados debastadores que cambian el paisaje y nosotros, lo único podemos hacer es acatar el destino, ya que, ignoramos lo que está por venir.

El mundo nos parece un lugar complicado. Sin embargo, existen algunas verdades sencillas que nos parecen eternas, no varían con el paso del tiempo (los objetos caen hacia el suelo y no hacia el cielo, el Sol se levanta por el Este, nunca por el Oeste, nuestras vidas, a pesar de las modernas tecnologías, están todavía con demasiada frecuencia a merced de complicados procesos que producen cambios drásticos y repentinos. La predicción del tiempo atmosférico es más un arte que una ciencia, los terremotos y las erupciones volcánicas se producen de manera impredecible y aparentemente aleatoria, los cambios en las Sociedades fluctuan a merced de sucesos que sus componentes no pueden soportar y exigen el cambio.

 La inmensa complejidad que está presente en el cerebro humano y de cómo se genera lo que llamamos “la mente”, a partir de una maraña de conexiones entre más de cien mil millones de neuronas, más que estrellas existen en nuestra Galaxia, la Vía Láctea. Es algo grande que, en realidad, no hemos alcanzado a comprender. Me hace gracia cuando alguna vez escucho decir a alguien: “Sólo utilizamos un diez por ciento de nuestro cerebro”. Lo cierto es que lo utilizamos al cien por ciento y, lo que en realidad quieren decir es que, se supone que el cerebro humano tiene un potencial tan grande que, de momento, sólo ha evolucionado hasta el diez por ciento de su capacidad futura. ¿Hasta dónde llegaremos?

emilio silvera

 « ¡El futuro! ¿Que nos deparará?

¿Es viejo el Universo?

Nuevas estrellas, vientos estelares, radiación, energías, estrellas de neutrones o púlsares, agujeros negros, enanas rojas y blancas, ¿estrellas de Quarks? ¿materia oscura? mundos…¿Civilizaciones? ¡El Universo! Lo que todo lo contiene, ahí estan presentes todas las cosas que existen y las que tienen que existir… El espaciotiempo, las fuerzas fundamentales de la Naturaleza…¡La Vida!

Cuando pensamos en la edad y el tamaño del Universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como y a hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del Universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿porqué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales” la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

Al menos una vez al día, el cielo en su parte alta, es iluminado por un gran destello producido por grandes explosiones de rayos gamma. A menudo, esos destellos alcanzan magnitudes superiores a las que pueden ser generadas por todo un conjunto de otros rayos cósmicos y desaparecen posteriormente sin dejar más rastro. Nadie puede predecir cuando volverá a ocurrir la próxima explosión o de que dirección del cielo procederá. Hasta ahora, no contamos con evidencias duras como para asegurar cuáles podrían ser las fuentes precisas de donde provienen esos rayos gamma que observamos en lo alto del cielo, las razones que ocasionan los grandes destellos y la distancia en la cual ocurre el fenómeno.

La edad actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ masas de Planck

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el Universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del Universo visible ≈10^-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto, es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10^-30 de la Planck

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el Universo está estructurado en una escala sobre humana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones el Universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del Universo en “tics” de Tiempos de Planck, hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

En todas las regiones del espacio interestelar donde existen objetos de enormes densidades y estrellas supermasivas se pueden producir sucesos de inmensas energías y, en regiones de gas y polvo de muchos años-luz de diámetro, es donde surgen los Sistemas solares que contienen planetas aptos para la vida.

¿Por qué nuestro Universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el Universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el Universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre los atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagan infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen series amenazas exteriores.

        Como veréis no estamos a salvo y, cualquier colisión entre estos pedruzcos los puede desviar hacia nosotros y las consecuencias…

La mayoría de asteroides, incluyendo Vesta, están en el cinturón de asteroides que se sitúa entre Marte y Júpiter. Otros asteroides giran en círculos mas cerca del Sol que de la Tierra, mientras que un gran número de ellos comparten orbitas planetaria. Dada esta gran variedad de asteroides, algunos particularmente extraños han sido descubiertos en los últimos dos siglos desde que el primer asteroide fuera descubierto (Ceres en 1801).

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una serie y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra habiendo tenido efectos catastróficos. Somos afortunados al tener la protección de la luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta.

La caída en el Planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución, o, por el contrario, evitar que siga cualquier clase de evolución produciendo la extinción total y dejando la Tierra como un planeta muerto.

emilio silvera

 « El viejo Tren de Riotinto que te transporta al pasado

Hace ya algún tiempo que, en relación a las Ondas gravitacionales traje aquí un trabajo que sali´ço publicado en la Revista de Física de la R.S.E.F., y, ahora que está de moda el tema, lo traigo de nuevo para comparar las ideas viejas con las nuevas.

Desde sus comienzos la Astronomía ha estado dominada por el uso de instrumentos que detectan luz, desde los primeros telescopios ópticos hasta los más modernos detectores de rayos X y gamma. Fruto de este desarrollo han sido grandes descubrimientos que han ido configurando nuestra forma de comprender el Universo. Durante el siglo pasado se han empezado a desarrollar nuevas formas de Astronomía basadas en mensajeros diferentes a la luz: detectores de rayos cósmicos, de neutrinos y de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein y corresponden a oscilaciones de la geometría del espacio-tiempo que se propagan de forma similar a las ondas electromagnéticas. La debilidad de la fuerza gravitatoria hace que la detección de estas ondas suponga un gran reto tecnológico. Sin embargo, desde el punto de vista científico son una gran oportunidad, ya que transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes que la generaron, la cual en muchos de los casos es difícil o imposible de obtener por otros medios. Este artículo es una introducción a la Astronomía de Ondas Gravitatorias, a sus métodos, a su estado actual y sobre todo a las grandes perspectivas que ofrece con la apertura de una nueva ventana a la exploración del Universo que tendrá un gran impacto tanto en Astrofísica como en Cosmología e incluso en Física Fundamental.

Dentro del marco de la Física Teórica, la gravedad aparece como una de las cuatro interacciones fundamentales, siendo las otras tres la electromagnética y las interacciones nucleares débil y fuerte. Electromagnetismo y gravitación son las dos únicas interacciones de largo rango de acción (en principio limitado), en contraposición a las dos interacciones nucleares, cuyo rango de acción está limitado esencialmente a regiones cuyo tamaño es del orden de un núcleo atómico o inferior. Una consecuencia directa de esto es que las interacciones nucleares no pueden transportar información a distancias macroscópicas y por lo tanto no son de utilidad para la Astronomía. Las otras dos, electromagnetismo y gravedad, se propagan a través del espacio a la velocidad de la luz, tal y como nos indican las teorías de Maxwell y Einstein respectivamente, y tal como comprobamos en diferentes observaciones y experimentos. Lo que determina la fuerza que estas interacciones producen son su intensidad y las correspondientes susceptibilidades de la materia a ellas, lo que denominamos cargas, la carga eléctrica en el caso electromagnético y la masa en el caso gravitatorio. En la naturaleza observamos que la interacción electromagnética produce fuerzas que son muchos órdenes de magnitud superiores a la de la gravitatoria, que es la más débil de todas las interacciones. Por lo tanto, no es de extrañar que la Astronomía haya estado dominada completamente por detectores de ondas electromagnéticas y fotones (las partículas cuánticas asociadas a campos electromagnéticos), desde telescopios ópticos hasta detectores de rayos X y gamma, incluyendo antenas de radio. Gracias a estos instrumentos la Astronomía ha producido grandes revoluciones que han cambiado nuestra percepción del Universo: Desde la Copernicana, que comenzó en el siglo XVI, hasta los descubrimientos en cosmología, que comenzaron en el siglo XX y continúan hoy día.

Pero no todo lo que se mide u observa en astronomía es luz, hay otros mensajeros que nos informan sobre lo que sucede en diferentes lugares de nuestro Universo: meteoritos, neutrinos, rayos cósmicos (protones, electrones, etc.), ondas gravitatorias. Los meteoritos nos dan información de nuestro entorno local, principalmente del Sistema Solar. Los neutrinos y rayos cósmicos pueden provenir desde nuestro entorno local hasta galaxias muy distantes. La detección de estas partículas, mediante técnicas similares a las empleadas en aceleradores de partículas, ha dado lugar a una nueva área de investigación muy activa denominada Astropartículas. El mensajero del que trata este artículo son las ondas gravitatorias y su empleo para la investigación astronómica constituye lo que denominamos Astronomía de Ondas Gravitatorias.

Las ondas gravitatorias son una predicción de la Teoría General de la Relatividad (conocida comúnmente como Relatividad General) propuesta por Albert Einstein (1915) para incluir la gravitación en la estructura espacio-temporal propuesta por él mismo en su Teoría Especial de la Relatividad (1905). Uno de los aspectos más destacados de esta teoría es que el espacio deja de ser un simple contenedor  de los fenómenos físicos para convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. No solo eso, al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. En la Teoría de la Relatividad espacio y tiempo aparecen como una única estructura que denominamos espacio-tiempo, cuya geometría está determinada por la distribución de masa y energía, y a su vez,  la geometría determina el movimiento de la materia y de la energía. De esta forma, la gravedad aparece como una manifestación de la geometría espacio-tiempo, una elegante implementación del principio Galileano de que todos los objetos, independientemente de su masa y composición, caen con la misma aceleración. Una consecuencia del carácter dinámico del espacio-tiempo en la Relatividad General es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas con una velocidad, medida localmente, exactamente igual a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física entre objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de ondas.

Como en el caso electromagmético este es un efecto transverso, es decir, los cambios en la distancia se producen en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda gravitatoria. Además, tanto ondas electromagnéticas como gravitatorias tienen dos estados de polarización independientes, aunque en teorías de la gravedad alternativas a la Relatividad General puede haber hasta seis polarizaciones independientes. Una diferencia importante entre ondas electromagnéticas y gravitatorias tiene que ver con su generación. En el contexto astronómico, las ondas electromagnéticas se generan por cargas aceleradas (emisión predominantemente dipolar), como por ejemplo electrones, cuyo tamaño es muy inferior al de los objetos de los que forman parte y como consecuencia, pueden emitir luz en una longitud de onda suficientemente pequeña como para realizar imágenes de objetos astronómicos. En contraste,  las ondas gravitatorias se generan por cambios temporales de la distribución de masa-energía de un objeto (radiación predominantemente cuadrupolar), y por este motivo sus longitudes de onda suelen ser del orden del tamaño del objeto que las genera o mayores, con lo cual no es posible en general realizar imágenes. En ese sentido se podría decir que la Astronomía de Ondas Gravitatorias está más cercana a la Acústica que a la Óptica.

La relativa debilidad de la gravedad es la causa de que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeña y que su detección sea una empresa extremadamente complicada. Ondas gravitatorias producidas por fuentes galácticas, como la colisión de dos estrellas de neutrones, inducen desplazamientos del orden del tamaño de un núcleo atómico o inferiores en un detector terrestre de un kilómetro de tamaño. La gran ventaja que proporcionan las ondas gravitatorias es que por su débil interacción con la materia transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes astronómicas que las generaron.

La construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años sesenta, con el trabajo pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. El principio de funcionamiento de estos detectores de basa en que una onda gravitatoria que atraviese un sólido cambiará su tamaño de forma oscilatoria, excitando de esta forma sus modos propios de oscilación. La idea por lo tanto es crear un dispositivo que sea sensible a las oscilaciones del sólido y nos permita extraer la señal gravitatoria que las ha producido. Varios detectores de este tipo, la mayoría con forma cilíndrica, se han construido en varias partes del mundo y, contrariamente a las aseveraciones de detección de Weber en los años 70, no han conseguido hasta la fecha detectar ondas gravitatorias. De hecho, ningún tipo de detector las ha detectado. Entonces, ¿estamos seguros de que las ondas gravitatorias existen? ¿Tenemos alguna evidencia de su existencia?

La respuesta a estas preguntas es que sí, y el principal argumento nos lo proporcionó el descubrimiento en 1974 del primer pulsar binario, PSR B1913+16, por Russell Hulse y Joseph Taylor, lo que les valió el premio Nobel de Física en el año 1993. Los púlsares son estrellas de neutrones dotadas de un enorme campo magnético que acelera partículas cargadas produciendo la emisión de un haz de radiación electromagnética en la dirección del eje magnético. Como el eje magnético no suele estar alineado con el eje de rotación, esta emisión electromagnética describe un cono, convirtiendo los púlsares en faros cósmicos. Si nuestro planeta se encuentra en la dirección del cono de emisión del púlsar observaremos una serie de pulsos de radio, que en caso de los púlsares con rotación más rápida se dan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos (¡el púlsar más rápido conocido completa más de 700 revoluciones por segundo! El de Hulse y Taylor 17). Esto permite observaciones astronómicas de una precisión sin precedentes. El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de forma que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño (la distancia mínima entre ellas es aproximadamente la mitad de la distancia de la Tierra al Sol) como para que estas estrellas tan compactas (tienen una masa un poco inferior a una vez y media la masa del Sol pero un radio de tan sólo unos diez kilómetros) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para un descripción precisa de sistema.

En concreto, el movimiento orbital periódico de tales masas con velocidades considerables (cientos de kilómetros por segundo respecto del centro de masas  del sistema binario) produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno. Y estos cambios  periódicos en la geometría no son más que ondas gravitatorias que se propagan en todas las direcciones llevándose consigo energía y momento angular del sistema. Esta emisión gravitatoria afecta a su vez al movimiento orbital, disminuyendo su tamaño y periodo orbital, tal y como se observa. También se pueden observar otros efectos relativistas como la precesión del periastro de la órbita. Los 35 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la Relatividad General con una precisión relativa del 0.2%. Actualmente se conocen otros púlsares binarios y algunos de ellos también se encuentran en un régimen relativista. El denominado púlsar doble, PSR J0737-3039A/B, un sistema binario compuesto por dos púlsares, se ha convertido recientemente en el mejor test disponible de la Relatividad General, alcanzado precisiones relativas del 0.05%.

Estos descubrimientos han contribuido a impulsar el desarrollo de detectores de ondas gravitatorias, y los que hoy en día han alcanzado una mayor sensibilidad son los llamados detectores interferométricos. Son básicamente interferómetros del tipo Michelson-Morley dispuestos en una forma de L y el concepto de funcionamiento es relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector. Actualmente hay varios detectores interferométricos terrestres en operación:

Uno de los dos detectores LIGO, situado en Livingston (Luisiana), con brazos de cuatro kilómetros de longitud.- LIGO/CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY. LIGO en los Estados Unidos (dos de 4 km y uno de 2 km de brazo).