En un universo en expansión, la energía no se conserva

Fräulein Noether fue el genio matemático más creativo e importante desde que comenzó la educación superior de las mujeres. WIKIPEDIA

Invierno de 1915, Göttingen (Alemania), la Primera Gran Guerra asola Europa, arrasando ciudades, cortando centenarias rutas de suministros y generando un odio inconcebible hasta el momento. Entre todo el caos y destrucción imperante, alguien permanece ajeno a la situación que le rodea. Su mente divaga en torno a las extrañas ecuaciones garabateadas sobre un sinfín de papeles dispersos. Emmy Noether, sentada ante su escritorio de roble, se frota los ojos, atónita ante su reciente descubrimiento. Los últimos meses los ha dedicado de manera incansable a desarrollar el simple y elegante resultado que tiene ante sí.

La respuesta ante luz incidente polarizada de los dos estados superconductores es diferente si se viola la simetría de inversión temporal.

Ella acaba de demostrar que, si existe una simetría en las leyes físicas que gobiernan un determinado sistema, hay una cantidad que se conserva. No se trata de una conclusión irrelevante, y ella es consciente de ello. Físicos, químicos e ingenieros hacen uso diariamente de cantidades conservadas para realizar cualquiera de sus cálculos. Por ejemplo, para determinar si un proyectil alcanzará a un enemigo situado a una cierta distancia, solo es necesario calcular la energía liberada por la pólvora en combustión. Esta energía se transferirá al proyectil y, usando las ecuaciones de Newton, es posible calcular exactamente si la bala alcanzará el objetivo. Noether acababa de demostrar por tanto que, para saber si se conservará la energía de un sistema (como el sistema pólvora-bala), tan solo es necesario atender a la simetría de las ecuaciones que describen dicho sistema. En concreto, la conservación de la energía solo necesita de la simetría temporal de las ecuaciones, es decir, que éstas se cumplan tanto ahora como dentro de 1.000 años u otros tantos años atrás.

 

 

 

La uniformidad del tiempo

 

Noether demostró que, para saber si se conservará la energía de un sistema, tan solo es necesario atender a la simetría de las ecuaciones que describen dicho sistema

 

 

 

 

Prácticamente en ese mismo momento, solo tres años mayor que ella, un treintañero llamado Albert Einstein repasaba asombrado las ecuaciones maestras de su teoría de la Relatividad General. Sorprende comprobar cómo en los momentos más oscuros de la humanidad afloran las mentes más brillantes. Cimentaba así una nueva forma de mirar al Universo, insólita hasta entonces, ya que el espacio y el tiempo se entrelazaban de manera inseparable con la materia, poniendo punto final a las inconsistencias que habían comenzado a aparecer en la física desarrollada durante el último siglo. Consecuencia de su abstracta teoría son fenómenos tan sorprendentes como el de la expansión del Universo (obtenida gracias a Lemaître, Friedmann, Robertson y Walker), que predice que el propio espacio se estira como un globo hinchándose, provocando que las galaxias se alejen unas de otras, algo que se observaría con precisión en 1922.

Muchos años después, los científicos serían capaces de fusionar ambas teorías, proponiendo un resultado que muchos de nosotros aún tratamos de comprender y de explorar. Si el Universo se expande, las ecuaciones que lo controlan pierden su simetría temporal, ya que las distancias entre objetos aumentan en el tiempo y nos veríamos obligados a reescalarlas. De una manera directa, podemos concluir que la energía en el universo NO se conserva. Debemos por tanto despedirnos de esa frase que tantas veces nos repitieron desde niños: “La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”. Demos la bienvenida a una nueva versión de la misma: “La energía se crea y se destruye y, a veces, se conserva”.

 

 

Sorprende comprobar cómo en los momentos más oscuros de la humanidad afloran las mentes más brillantes

No obstante, esta última afirmación la tenemos que repetir con cautela, ya que lo técnicamente correcto es decir que la energía de la materia del Universo no se conserva. Esto es debido a que en el Universo no hay únicamente materia, sino materia y espacio-tiempo. Las ecuaciones de Einstein contienen otras simetrías que conllevan conservaciones de cantidades que se parecen a la energía, pero contienen términos extra. Estos términos pueden asociarse a la energía propia del espacio-tiempo, pero dista de proporcionar una interpretación clara, ya que conduce a preguntas que no somos capaces de contestar aún, tales como: ¿cómo medimos esta energía? ¿de qué tipo es? ¿podemos usarla para, por ejemplo, viajes espaciales?

Mayo, 1935. Estados Unidos. Albores de la Segunda Guerra Mundial, Emmy Noether muere tras ser expulsada en 1933 de su puesto de trabajo en la Universidad de Göttingen y obligada a abandonar el país por un nazismo que no veía con buenos ojos su ascendencia judía. Albert Einstein, temiendo que la muerte de la mejor matemática del siglo XX pasara inadvertida para el mundo, escribe las siguientes palabras en el New York Times:

 

 

 

            La energía se crea y se destruye y, a veces, se conserva”

 

“[…] En el transcurso de los últimos días, la distinguida matemática Emmy Noether, anteriormente de la Universidad de Göttingen y durante los dos últimos años vinculada a la Universidad de Bryn Mawr, ha fallecido a los 53 años. A juicio de los matemáticos vivos más competentes, Fräulein Noether fue el genio matemático más creativo e importante desde que comenzó la educación superior de las mujeres. En el campo del álgebra […] descubrió métodos de enorme relevancia para el desarrollo de actuales generaciones de matemáticos más jóvenes. La Matemática pura es, a su modo, la poesía de las ideas lógicas. Uno busca las ideas más generales con las que formar de una manera simple, lógica y unificada, el círculo más grande posible de las relaciones formales. En este esfuerzo hacia la belleza lógica, se descubren fórmulas espirituales necesarias para una penetración más profunda en las leyes de la Naturaleza.[…]”

 Fuente: El Pais.

Marcos Pellejero Ibáñez es estudiante de doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Se licenció en la Universidad de Zaragoza y ha estudiado posteriormente en el Imperial College de Londres teorías alternativas al modelo estándar cosmológico. El tema de su tesis es la estructura de las más grandes escalas cósmicas.

Rafael Tapia Rojo es investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia, NYC. Se licenció y doctoró en la Universidad de Zaragoza, estudiando métodos de energía libre para comprender modelos de biomoléculas. Actualmente trabaja en el estudio de las propiedades mecánicas de proteínas con técnicas de molécula individual y paisajes de energía libre.

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Para ser llamado científico, un método de investigación debe basarse en lo empírico y en la medición, sujeto a los principios específicos de las pruebas y el razonamiento, hay que demostrar con certeza la teoría. Y, desde luego, detrás de todo ello, estará siempre la intuición y las buenas ideas.

Empecé a estudiar física hace ahora unos 50 años. Y poco a poco he ido viendo  que una parte de la física iba dejando de ser ciencia, olvidando el método de Galileo, y avanzando hacia un sistema dogmático, místico e iniciático.  Recordemos que el método dogmático es aquel en el cual se exige aceptar una afirmación que no esta apoyada en ningún hecho comprobable: La afirmación de que las tablas de la ley las había entregado una deidad, por ejemplo.  Hoy es imposible, en el campo de la física, no aceptar la afirmación incomprobable, de que el mundo empezó en un Big-Bang, con una cierta energía que no se sabe que era, y moviéndose de una forma que exige un razonamiento circular que pasa de energía a frecuencias de algo que se desconoce,  a energías de caracter desconocido a frecuencias de ….., y así indefinidamente. Claro que, la Cosmología se asinta ahí, en el Big Bang, porque es el Modelo mejor que tiene y, desde luego, el que más se ajusta a los datos que se pueden observar. Sin embargo, nadie sabe nada de aquellos primeros momentos y, desde luego, tampoco nadie puede asegurar que el Big Bang sea la realidad de los hechos.

Pero como con las tablas de la ley, nadie puede subir a la montaña a verificar las afirmaciones expresadas, que sin embargo hay que creer bajo pena de excomunión. Nadie puede volar en el tiempo hacia atrás hasta hace unos miles de millones de años, para verificar la hipótesis.

El sistema avanza hacia el misticismo: ¿Que otra cosa  es la idea de las supercuerdas, una idea que para Steven Weinberg, padre de la Gran Unificacion, era ilusionante, pero se ha revelado incapaz de tener algo que ver con la realidad?  O la SUSY, la supersimetría que postula que, por ejemplo, los electrones, con spin fraccionario, tengan simétricos con spin entero, selectrones que nadie ha medido ni de lejos.

Y se está convirtiendo en iniciático. Para ”descubrir” el Higgs, el CERN cerró las puertas y aisló a sus dos equipos durante años, en un sistema indigno de la idea de la ciencia, que había sido pública y abierta para todos hasta ese momento. El CERN ha publicado los resultados de sus dos equipos pero, o estoy muy equivocado, no ha distribuido los datos originales, las fotografías de las trazas de los productos de desintegración de los productos de desintegración (si, dos veces, pues si hay Higgs), Particularmente no tengo nada claro que el Higgs exista, al menos a mí, las explicaciones que dieron no me han convencido de ello.

Solo vemos los productos de los productos de la desaparición, de la partícula buscada.  En las sociedades místicas, tras un periodo de iniciación para los elegidos, las verdades se revelaban siempre en ceremonias secretas bajo la terrible promesa de no revelar los ritos nunca fuera de la institución.

Otro de los padres de la Gran Unificación, el físico Abdus Salam, daba como razón poderosa para la búsqueda de la misma su fé en un único dios. Según él, la naturaleza debería tener una única fuerza, correspondiente a esa única deidad.

El padre de la mecánica cuántica, Niels Bohr, apremiado por Einstein, entre otros, llegó a decir que de esa forma de analizar el mundo atómico y sub-atómico,  de esa mecánica cuántica había que tomar las reglas de cálculo, pero que había que renunciar a entender lo que pasaba en él.  Esto dicho por un supuesto científico que había renunciado a entender la naturaleza, pero que controló, hasta su muerte, la concesión de los premios Nobel de física.

Es tremendamente importante considerar esto que he escrito aquí, en todos los caminos de la ciencia. Hoy la presión es publicar, aunque lo que se publique sea mera copia no entendida de otros trabajos publicados anterior o simultáneamente.  Esos trabajos se acumulan en las revistas científicas, de donde no salen a las empresas ni hacia la técnica. Los resultados de un enorme tanto por ciento de la investigación no son aprovechados por aquellos que la han financiado, que dejan que esos resultados caigan en el olvido.

Mientras que un científico como Avelino Coma desarrolla hasta sus úlñtimos extremos la Ciencia, en su trabajo de laboratorio, y sus resultados se aprovechan para la sociedad,  y lo mismo hacen otros cientos de miles de ellos, inmensas cantidades de dinero (esfuerzo) se tiran en desarrollos místicos sin utilidad alguna (por ejemplo, las investigaciones sobre la fusión del hidrógeno) o abiertamente carentes de relación con la naturaleza (las supercuerdas).

Edward Witten revisita la teoría de supercuerdas perturbativa en Strings 2012

Aún hay ciencia. Pero hay disciplinas que se están, tristemente, alejando de ella aunque se consideran públicamente, y así lo afirman, como los que marcan el camino del futuro de la misma. Terminarán olvidadas, como ha ocurrido con toda la mística iniciática. Pero de momento aún nos dicen, como los sufíes, que son los únicos que están cerca de la verdad.

La Ciencia es una cosa de la que todos sabemos como andan sus caminos y cuando se puede considerar digna de su nombre, otra cosa muy distinta será el especular y aventurar “teorías” que no llegan a ninguna parte, toda vez que tienen la imposibilidad de ser demostradas y, eso, amigos míos, es como hablar de la existencia de Dios, cuando ya sabemos que Ciencia y religión… ¡Siempre llevarán caminos divergentes”! La primera cree en lo que está comprobado, la segunda sólo cree mediante el ingrediente de la fe, no necesita demostrar nada.

Como empedernido curioso que soy, no dejo de echar alguna mirada a todos los ámbitos del saber humano, y, desde luego, la Religión no es ninguna excepción. Se puede comprobar que los padres de la Iglesia se quieren adaptar a los tiempos modernos y a los descunbrimientos científicos de la manera más suave y desapercibida posible, se van aceptando concepto que, en pasados tiempos, eran motivo de muerte para queienes lo pregonaban (Giordano Bruno es un buen ejemplo).

Claro que, al final del camino… ¡La verdad resplandece!

emilio silvera

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“Hace unos días, cerca de Cessy (Francia), una mujer paseaba con su perro ajena a lo que se cocía bajo sus pies. Era un entorno idílico. Campos verdes con nieve en las umbrías, granjas de vacas y los Alpes recortados en el horizonte. Mientras, a 100 metros bajo tierra, cientos de operarios, ingenieros y físicos hacían los últimos ajustes para encender la mayor máquina del mundo, capaz de reproducir lo que pasó en el universo poco después del Big Bang.

                             Vista lateral del experimento CMS, uno de los mayores del CERN

El Gran Colisionador de Hadrones, o LHC, en la frontera entre Francia y Suiza, intenta localizar partículas de la “materia oscura”. Entre sus muchos logros aún está en la memoria de todos el famoso Bosón que según nos dicen da masa a las partículas. En esa ocasión ya se consiguió todo un récord mundial con el descubrimiento del bosón de Higgs. Lo que deparará esta segunda etapa, que durará hasta 2018, no lo sabe nadie. Tras un tiempo de reparación y acondicionamiento el acelerador se puso a funcionar al doble de potencia y cruzará una frontera de la física nunca antes traspasada. ¡Veremos que nos encontramos! Incluso podría ser alguna sorepresa ¿desagradable? Bueno, si las cosas se hacen bien, no tiene por que producirse ningún acontecimiento negativo (aunque hace unos días el LHC “fue atacado” y se paralizaron los trabajos, ¡una ardilla tuvo la osadía de introducirse en la máquina!

El Large Hadron Collider (LHC) hace tres años nos sorprendía con la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, Después de aquello volvió a tener una parada para revisiones hasta que de nuevo, los protones volvieron a circular por este túnel de 27 kilómetros de longitud, preparados para ofrecernos nuevos hallazgos científicos. Bueno, eso dicen los del LHC que se empeñan en buscar partículas de materia oscura que llaman WIMPs, cuando no sa sabe ni si la “materia oscura” existe en realidad. Es toda una paradoja el que una maquinaria tan enormemente grande que dispone de tan descomunal energía, se disponga a realizar experimentos en busca de la “nada”, ya que, lo cierto es que no saben ni si encontraran alguna cosa.

      Nuevos detectores nos darán mucha más información

El último parón ha servido para que los ingenieros a cargo del CERN hayan realizado importantes mejoras en esta estructura, y la nueva puesta en funcionamiento con el doble de la energía de lo que lo había hecho en el pasado ciclo de experimentos, seguramente, dará alguna sorpresa.A mí me gustaría que los resultados nos dikeran si existe algo más allá de los Quarks.

Los protones son inyectados en ese particular circuito, al principio a una energía relativamente pequeña, pero poco a poco la van aumentando hasta alcanzar los 13 teraelectronvoltios (TeV). Al incrementar el número de protones aumentará el número de colisiones y la temperatura, y a finales de Abril de 2.016 se alcanzó su pico de energía de las partículas que circulen en el interior del LHC. Ahora a esperar resultados.

El descubrimiento del bosón de Higgs fue crucial para “completar” la formulación del modelo estándar de la física de partículas, pero dicha teoría está aún incompleta, y otra teoría llamada supersimetría sugiere que hay una partícula aún no descubierta que acompaña a cada una de las existentes en el modelo estándar. Estas son algunas de las partículas que los científicos esperan detectar en la nueva ronda de experimentos, y sobre todas ellas destaca la “partícula de materia oscura”, que según los físicos constituye el 26% del universo.

Datos de mayo de 2004. La zona verde representa el resultado del experimento DAMA, en comparación con los límites de precisión de los experimentos CDMS y EDELWEISS. Desde entonces, as mejoras en los resultados han sido significativas.

“El CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), situado en la mina Soudan (Minnesota, Estados Unidos), utiliza una técnica basada en el almacenamiento de cristales de germanio y silicio a una temperatura muy fría. Los cristales, que tienen un tamaño similar al de un disco de hockey, son enfriados a la temperatura de 50 milikelvin (0,05 K). Esta temperatura tan cercana al cero absoluto hace que los átomos del cristal vibren muy lentamente, por lo que, si cualquier WIMP impactara contra un átomo del cristal, se produciría una onda de sonido, pues el átomo que recibe el impacto desplaza en su vibración a los átomos de su alrededor, tarea de la que se encarga una capa de metal (aluminio y tungsteno). Este tungsteno se encuentra a una temperatura crítica, por lo que ejerce de superconductor, y las vibraciones que se generan en el cristal calientan la capa de metal, que se detecta a través del cambio en la resistencia del mismo.”

Sí los WIMPS han sido buscados por muchos y de muchas maneras pero, sin encontrarlos hasta el momento, y, en ello, está empeñado el LHC que cuenta con más potencia que otros experimentos.

Si los WIMPs, finalmente resultan ser las partículas responsables de la “materia oscura” no bariónica ( si es que realmente existen), deberían tener propiedades muy concretas al hacer “imposible” o “dificil” que no podamos verlos a pesar de que conforma una gran parte de la masa del Universo, no interacciona mediante la fuerza electromagnética, lo que nos lleva a pensar que son neutras y, sin embargo, sí parece que emitan fuerza gravitatoria… ¡Es todo tan raro!

En física, el consenso científico es que la materia oscura existe con una certeza del 100% (Bueno, yo no entro en ese 100 x 100 y soy muy exceptico en cuanto a la existencia de esa materia oscura a la que se agarran los cosmólogos como el ahogado a un clavo ardiendo, ya que, de otra manera no sabrían explicar por qué las galaxias se alejan unas de otras a tanta velocidad y lo mismo las estrellas en las galaxias, y, la explicación más fácil para ellos… ¡la materia oscura!. Sabemos que interacciona muy poco con la materia ordinaria, por ello detectarla es extremadamente difícil, pero la están buscando con ahínco y tesón en un rango de 90 órdenes de magnitud. Has leído bien, buscamos una partícula con una masa entre los yoctogramos y los yottagramos. La han descartado en muchos lugares, pero hay muchos otros en los que aún podría esconderse.

Uno de los grandes objetivos del LHC Run 2 es buscar una partícula candidata a la materia oscura si es que hay alguna que esté a su alcance. No sabemos si está a su alcance. Pero no perdemos la esperanza de que la encuentre. (Dicen algunos físicos del LHC).

 

“La materia oscura es un corpúsculo (si es macroscópico) o una partícula (si es microscópica) neutro (para la carga eléctrica y para la carga de color), que tiene una vida media muy larga y que interacciona débilmente con la materia ordinaria, quizás sólo gracias al bosón de Higgs. Uno de los objetivos del LHC Run 2 es explorar la búsqueda de una partícula de materia oscura en un pequeño rango de energías (la escala débil entre cientos y miles de GeV). Nos gusta creer que hay muchas razones físicas por las cuales debería esconderse en dicha escala. Pero la Naturaleza es sutil, aunque no perversa. Igual que el borracho que ha perdido sus llaves al entrar en casa de noche las busca debajo de la farola, donde hay luz, aunque esté a unos metros de distancia, buscamos la partícula donde podemos hacerlo. Y nuestra esperanza es encontrarla, pero si no la encontramos allí, como somos tercos, seguiremos buscándola.”

Como veréis, estos hablan de las partículas y de la materia oscura como si fueran objetos familiares con los que estamos a diario interaccionando, cuando en realidad, todo son hipótesis y creencias asentadas a través de indicios y conexiones “lógico-mentales” que no sabemos, aún, si van en la buena dirección.

¡Ya veremos que pasa! Me gustaría que acertaran y aparecieran los dichos WIMPs, confirmando todas esas teorías, así podríamos comenzar la búsqueda de otras partículas que, como el Gravitón, están por ahí perdidas y tampoco podemos encontrarla.

emilio silvera

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  ¿Habeis pensado por qué hay vida en el Universo?

    Los astrofísicos se devanan los sesos queriendo saber si hay vida fuera de la Tierra

Hay cuestiones que van mucho más allá de nuestros pensamientos, sobrepasan la propia filosofía y entran en el campo inmaterial de la Metafísica, quizá el único ámbito que realmente pueda explicar lo que la Mente es. Allí reside la esencia de lo complejo, del SER. Ya sabéis:

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