“Siempre le digo a mis alumnos que si esta fórmula no les quita el aliento es que no tienen alma”, dice Chris Budd, profesor de la Universidad de Bath, en Reino Unido. Es una ecuación que todos aprendimos en el instituto: describe cómo la circunferencia de un círculo varía según su diámetro, con una relación igual a un número denominado Pi que equivale aproximadamente a 3,14. Con eso se describe la geometría del mundo y se hacen funcionar los GPS.
El teorema de Pitágoras
También un viejo conocido de todos los estudiantes, que describe la relación existente entre todos los lados de un triángulo rectángulo. De hecho, su enunciado, que el cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de ambos catetos, es posiblemente uno de los pocos conceptos matemáticos que prácticamente todos somos capaces de recitar y comprender. Además, es uno de los más demostrados, porque en la Edad Media se exigía una nueva demostración de este teorema para alcanzar el grado de ‘Magíster matheseos’.
La identidad de Euler
Euler ha sido apodado el Mozart de las matemáticas por su genialidad pero también por su prolífico trabajo, del que deriva gran parte de las matemáticas modernas. Su ecuación más famosa es la llamada identidad de Euler, en la que reúne cinco de los números más utilizados: el 1, base de los demás números; el 0, el concepto de nada; pi, que define el círculo; e, subyacente al crecimiento exponencial, e i, el número imaginario que corresponde a la raíz cuadrada de -1.
Todos esos números tienen aplicaciones prácticas dentro de los campos de la comunicación, la energía, la navegación o la medicina entre muchas otras, pero eso no es todo. La identidad de Euler también contiene tres de las operaciones matemáticas más básicas: suma, multiplicación y exponenciación. En resumen, una fórmula sencilla a simple vista pero muy profunda en cuanto a implicaciones, que conecta una serie de componentes esenciales en apariencia no relacionados de forma muy concisa.
La fórmula de Riemann
Esta ecuación, ideada por el matemático alemán Bernhard Riemann en 1859, apasiona a los matemáticos porque es un paso adelante en el esfuerzo de entender los números primos, los bloques básicos sobre los que se asienta la aritmética. Son uno de los conceptos más importantes en el mundo matemático y aún así todavía falta mucho para entenderlos del todo.
La fórmula de Riemann permite calcular cuántos números primos hay por debajo de un número concreto, y revela que los primos están determinados por la llamada función zeta, que en principio no parece tener ninguna relación con los números primos. Y esa es también la razón de su belleza, que une dos conceptos en principio no relacionados de las matemáticas somo si hubiese un túnel hasta ahora secreto conectado entre ambos. Eso parece señalar que hay una regla superior que rige a los números primos, y matemáticos de todo el mundo tratan de encontrarla.
El teorema fundamental del cálculo
El teorema fundamental del cálculo es la columna vertebral del método matemático del mismo nombre, y une dos ideas principales: el concepto de integración y el concepto de derivada. “En palabras sencillas, dice que el cambio neto de una cantidad continua (como la distancia recorrida al viajar) durante un periodo determinado de tiempo (la diferencia entre la hora de salida y la de llegada del viaje) es igual a la integran del ratio de cambio de esa cantidad (en este caso, la integran de la velocidad)”, explica Melkana Brakalova-Trevithick, del departamento de Matemáticas de la Universidad de Fordham.
La ecuación de onda
La belleza de esta ecuación vuelve a ser su simplicidad y su elegancia, además de que es tremendamente útil. Se utiliza para describir cómo se propagan las ondas, desde las que se forman en el agua hasta las del sonido que viajan por el aire. Nació como el modelo de vibración de una simple cuerda de violín y creció hasta algo que se utiliza para estudiar un gran número de fenómenos, desde los terremotos hasta las prospecciones petrolíferas. Su relación con el sonido sirve para explicar cómo oyen nuestros oídos y por qué algunas combinaciones de sonido nos resultan agradables y otras chirriantes.
Es un ejemplo de cómo una idea matemática puramente teórica puede terminar teniendo aplicaciones prácticas en otras áreas.
Esta ecuación, incluida en la teoría de la relatividad general de Einstein, cambió la forma en que se entendía la naturaleza y evolución del universo. Entre otras, introdujo la idea de que el tejido del espacio-tiempo es maleable y eso lo que origina la gravedad. No es que los objetos con mucha masa atraigan a los otros objetos, es que distorsionan el espacio-tiempo a su alrededor. “El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse y la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”, explica el físico John Wheeler.
Las ecuaciones de Einstein permite saber cómo ha cambiado el universo con el tiempo y echar un vistazo a sus primeros momentos de vida. Escritas en apenas un trozo de papel, parecen algo pequeño y sin importancia, pero desde que el físico publicó sus ecuaciones, estas han servido para predecir la existencia de los agujeros negros y de las ondas gravitacionales recientemente confirmadas, así como para inferir que el universo se expande. Esa es parte de su belleza, que contienen muchas predicciones que, hasta el momento, han demostrado ser ciertas.
La ecuación de Dirac
(Via BBC)
Esta ecuación fue formulada por el físico británico Paul Dirac en 1920 y es conocida y utilizada por el papel que jugó en el desarrollo de la física durante el siglo XX. Esta fórmula conectó dos importantes conceptos físicos: el de la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de los objetos a muy pequeña escala, y el de la teoría especial de la relatividad de Einstein, que analiza cómo se comportan los objetos que se mueven a gran velocidad. Como resultado, la ecuación de Dirac describe cómo se comportan los electrones y otras partículas cuando se mueven a velocidades cercanas a la luz.
Elegante y simple, y con consecuencias en el campo de la física que su autor no pudo prever, la ecuación de Dirac fue el primer paso en un campo que nos ha dado el modelo estándar de la física de partículas y el bosón de Higgs entre otros. Además, ya predecía la existencia de la antimateria, algo que después se estudió en el universo.
ggs entre otros. Además, ya predecía la existencia de la antimateria, algo que después se estudió en el universo.
10. El modelo estándar
(Via Livescience)
Otra de las teorías que describen nuestra idea actual del universo es la del modelo estándar, que recoge el conjunto de partículas fundamentales de las que está hecho todo cuanto nos rodea, y cómo se relacionan entre sí. Esa teoría se puede condensar en una gran ecuación llamada lagrangiano del modelo estándar (bautizada así por el matemático y astrónomo francés del siglo XVII Joseph Louis Lagrange). Es una forma resumida de describir el comportamiento de todas las partículas elementales y las fuerzas observadas en el laboratorio hasta la fecha, a excepción de la gravedad, el único renglón suelto que queda por cuadrar.
Muchas otras pudieran ser las que podríamos exponer aquí, y, cada una de ellas, nos dirían las respuestas a preguntas cimplejas que planteamos a la Naturaleza. La Mente Humana…
El año 2.013, el Trasbordador Espacial transportó el segundo Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02) a la Estación Espacial Internacional, un detector de rayos cósmicos. Veámos ahora que son esos rayos y de qué partículas están formados. Si son primarios o secundarios…
¡Es tan grande el Universo! ¡Esconde tantos secretos! Que no hemos podido descubrirlos todos ni llegar a sus confines. No sabemos, a ciencia cierta, qué habrá más allá de los “bordes” del Universo. Algunos estudios realizados en profundidad hablan de que se vislumbra la existencia de algo grande situado mucho más lejos de lo que se supone sería el final del nuestro Universo. ¿Qué podrá ser? ¿Otros universos?
A nuestro alrededor pasan muchas cosas a las que no prestamos atención
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.
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
Esta de arriba dicen que es una galaxia sin materia oscura… ¡Qué imaginación!
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 T. de Planck
Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana 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 Tiempo de Planck, hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen 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 habrían 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 las 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.
La vida (creo), estará presente en muchos mundos que, al igual que la Tierra, ofrece las condiciones adecuadas
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, propagar infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen serias amenazas exteriores.
Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una seria 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 que tantos miles de millones de años le costó al Universo para poder plasmarla en una realidad que llamamos vida.
El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.
Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia. El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.
Una atmósfera planetaria adecuada dará la opción de que evolucione la vida y se creen sociedades
La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la fotodisociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual. Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.
Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.
A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.
“Las historias de ciencia ficción en las cuales se sugiere la existencia de seres vivos construidos de silicio en vez del carbono han proliferado desde hace varias décadas, por ejemplo, en los argumentos de muchas películas y series de TV. La idea no es nueva, pues esta se originó en 1891 (¡!), cuando Julio Sheiner escribió sobre la posibilidad de vida extraterrestre fundada en el Silicio.” Biól. Nasif Nahle
Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.
De todas las maneras, negar alguna posibilidad sería temeraria, toda vez que, si miramos en ese fantástico “universo” de los microbios y bacterias… ¡Tenemos motivos más que suficientes para sorprendernos de lo que son capaces de hacer para vivir! ¿Por qué en mundos imposibles no podría pasar lo mismo, hasta con seres que hayan podido alcanzar la consciencia de Ser?
La densidad de energía-momento en la teoría de la relatividad se representa por cuadritensor energía-impulso. La relación entre la presencia de materia y la curvatura debida a dicha materia viene dada por la ecuación de campo de Einstein. Esa aparente sencilla ecuación de Einstein nos habla de la geometría del espacio y, si tenemos que hacer justicia al gran pensador, habrá que reconocer que con su teoría de la relatividad general nació la moderna cosmología. Sus ecuaciones no sólo nos habló de agujeros negros, también nos dice cómo funciona la Naturaleza, como es el Universo, las implicaciones que surgen de la presencia de materia en el espacio…
Los vientos estelares emitidos por las estrellas jóvenes, distorsionan el material presente en las Nebulosas, y, de la misma manera, en presencia de masa se distosiona el espacio-tiempo. Estamos en un Universo dinámico en el que nada está quieto, todo se mueve, todo es energía. Las cosas se transforman y todo cambia. Lo que ayer fue un objeto brillante y luminoso, mañana pudiera ser un objeto oscuro y denso con una fuerza de atracción irresistible.
Donde m es la masa invariante de la partícula, v es la velocidad relativa de la partícula, vorb es la respectiva velocidad orbital del observador de la partícula, Ges la constante gravitacional, M la masa que crea el campo gravitatorio, r es el radio del campo gravitatorio donde se encuentra el observadory c es la velocidad de la luz en el vacío.
En la energía cinética multiplicamos e inmediatamente dividimos por el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío.
La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo es una extensión de la teoría cuántica de campos estándar en la que se contempla la posibilidad de que el espacio-tiempo por el cual se propaga el campo no sea necesariamente plano (descrito por la métrica de Minkouski). Una predicción genérica de esta teoría es que pueden generarse partículas debido a campos gravitacionales dependientes del tiempo, o a la presencia de horizontes.
La teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo puede considerarse como una primera aproximación de gravedad cuántica. El paso siguiente consiste en una gravedad semiclásica, en la que se tendrían en cuenta las correcciones cuánticas, debidas a la presencia de materia, sobre el espacio-tiempo.
En un espacio euclideo convencional un objeto físico finito está contenido dentro de un ortoedro mínimo, cuyas dimensiones se llaman ancho, largo y profundidad o altura. El espacio físico a nuestro alrededor es tridimensional a simple vista. Sin embargo, cuando se consideran fenómenos físicos la gravedad, la teoría de la relatividad nos lleva a que el universo es un ente tetra-dimensional que incluye tanto dimensiones espaciales como el tiempo como otra dimensión. Diferentes observadores percibirán diferentes “secciones espaciales” de este espacio-tiempo por lo que el espacio físico es algo más complejo que un espacio euclideo tridimensional.
En las teorías actuales no existe una razón clara para que el de dimensiones espaciales sean tres. Aunque existen ciertas intuiciónes sobre ello: Ehrenfest (aquel gran físico nunca reconocido) señaló que en cuatro o más dimensiones las órbitas planetarias cerradas, por ejemplo, no serían estables (y por ende, parece difícil que en un universo así existiera vida inteligente preguntándose por la tridimensionalidad espacial del universo).
Es cierto que en nuestro mundo tridimensional y mental existen cosas misteriosas. A veces me pregunto que importancia puede tener un nombre. (“¿Qué hay en un nombre? Lo que llamamos rosa, con cualquier otro nombre ¿tendría el mismo dulce aroma”? (-Shakespeare, Romeo y Julieta-) La rosa da sustento a muchos otros tópicos literarios: se marchita como símbolo de la fugacidad del tiempo y lo efímero de la vida humana; y provoca la prisa de la doncella para recogerla mientras pueda. Por otro lado, le advierte de que hay que tener cuidado: no hay rosa sin espinas.
También el mundo de la poesía es un tanto misterioso y dicen, que… “Los poetas hablan consigo mismo en voz baja y el mundo les oye por casualidad.” Tópicos ascéticos, metafísicos o existenciales: Quiénes somos, de dónde venimos, a dónde vamos, las llamadas preguntas trascendentales, propias de la cosmología, la antropología y la metafísica. Los poetas siempre han buscado un mundo irreal y han idealizado el enaltecido mucho más allá de este mundo.
Como siempre me pasa, me desvío del tema que en este trabajo nos ocupa: El espacio-tiempo.
Estamos inmersos en el espacio-tiempo curvo y tetradimensional de nuestro Universo. Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividadespecial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el de línea de universo. La relatividadgeneral nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.
La introducción por parte de Minkouski de la idea espaciotemporal resultó tan importante es porque permitió a Einstein utilizar la idea de geometría espaciotemporal para formular su teoría de la relatividadgeneral que describe la Gravedad que se genera en presencia de grandes masas y cómo ésta curva el espacio y distorsiona el tiempo. En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. Hemos llegado a comprender que es la materia, la que determina la geometría del espacio-tiempo.
En la imagen, dos partículas en reposo relativo, en un espacio-tiempo llano y Se representan en este esquema dos partículas que se acercan entre sí siguiendo un movimiento acelerado. La interpretación newtoniana supone que el espacio-tiempo es llano y que lo que provoca la curvatura de las líneas de universo es la fuerza de interacción gravitatoria entre ambas partículas. Por el contrario, la interpretación einsteiniana supone que las líneas de universo de estas partículas son geodésicas (“rectas”), y que es la propia curvatura del espacio tiempo lo que provoca su aproximación progresiva.
El máximo exponente conocido del espacio-tiempo curvo, se podría decir que se da en la formación de los agujeros negros, donde la masa queda comprimida a tal densidad que se conforma en una singularidad, ese objeto de energía y densidad “infinitsas” en el que, el espacio y el tiempo desaparecen de nuestra vista y parece que entran en “otro mund” para nosotros desconocidos.
Los agujeros negros, cuya existencia se dedujo por Schwarzschild en 1.916 a partir de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, son objetos supermasivos, invisibles a nuestra vista (de ahí su nombre) del que no escapa ni la luz; tal es la fuerza gravitatoria que generan que incluso engullen la materia de sus vecinas, objetos estelares como estrellas que osan traspasar el cinturón de seguridad que llamamos horizonte de sucesos.
Pintura al óleo de Urs Schmid (1995) de una teselación de Penrose.
“En 1967, Penrose inventó la teoría de twistores que mapea objetos geométricos de un espacio de Minkowski en un espacio complejo en 4 dimensiones con la signatura métrica (2,2). En 1969 conjeturó la hipótesis de censura cósmica. Esta propone (de forma informal) que el universo nos protege de la inherente impredictibilidad de las singularidades (como los agujeros negros) ocultándolos de la vista. Esta forma es conocida actualmente como la hipótesis débil de la censura; en 1979, Penrose formuló una versión más firme llamada la hipótesis fuerte de la censura. En conjunción con la conjetura BKL y problemas con la estabilidad no lineal, resolver la conjetura de la censura cósmica es uno de los problemas más importantes en la teoría de la relatividad.”
Cada una de las ecuaciones de arriba, representa de manera asombrosa, hasta donde puede llegar el pensamiento elaborado por la mente humana para describir la Naturaleza.
Desde siempre hemos tenido la tendencia de querer representar las cosas y a medida que pudimos descubrir conocimientos nuevos, también le dimos a esos nuevos saberes sus símbolos y ecuaciones matemáticas que representaban lo que creíamos saber. Mecánica cuántica, relatividad, átomos, el genóma, agujeros negros, la constante cosmológica, la constante de Planck racionalizada…
Wheeler decía allá por el año 1957, que el punto final de la compresión de la materia -la propia singularidad– debía estar gobernada por la unión, o matrimonio, de las leyes de la mecánica cuántica y las de la distorsión espaciotemporal. Esto debe ser así, puesto que la distorsión espaguetiza el espacio a escalas tan extraordinariamente microscópicas que están profundamente influenciadas por el principio de incertidumbre.
Las leyes unificadas de la distorsión espaciotemporal y la mecánica cuántica se denominan “leyes de la gravedad cuántica”, y han sido un “santo grial” para todos los físicos desde los años cincuenta. A principios de los sesenta los que estudiaban física con Wheeler, pensaban que esas leyes de la gravedad cuántica eran tan difíciles de comprender que nunca las podrían descubrir durante sus vidas. Sin embargo, el tiempo inexorable no deja de transcurrir, mientras que, el Universo y nuestras mentes también, se expanden. De tal manera evolucionan nuestros conocimientos que, poco a poco, vamos pudiendo conquistar saberes que eran profundos secretos escondidos de la Naturaleza y, con la Teoría de cuerdas (aún en desarrollo), parece que por fín, podremos tener una teoría cuántica de la gravedad.
Una cosa sí sabemos: Las singularidades dentro de los agujeros negros no son de mucha utilidad puesto que no podemos contemplarla desde fuera, alejados del horizonte de sucesos que marca la línea infranqueable del irás y no volverás. Si alguna vez alguien pudiera llegar a ver la singularidad, no podría regresar para contarlo. Parece que la única singularidad que podríamos “contemplar” sin llegar a morir sería aquella del Big Bang, es decir, el lugar a partir del cual pudo surgir el universo y, cuando nuestros ingenios tecnológicos lo permitan, serán las ondas gravitacionales las que nos “enseñarán” esa singularidad.
Esta pretende ser la imagen de un extraño objeto masivo, un quásar que sería una evidencia vital del Universo primordial. Es un objeto muy raro que nos ayudará a entender cómo crecieron los agujeros negros súpermasivos unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang (ESO).
Representación artística del aspecto que debió tener 770 millones después del Big bang el quásar más distante descubierto hasta la fecha (Imagen ESO). Estas observaciones del quásar brindan una imagen de nuestro universo tal como era durante su infancia, solo 750 millones de años después de producirse la explosión inicial que creó al universo. El análisis del espectro de la luz del quásar no ha aportado evidencias de elementos pesados en la nube gaseosa circundante, un hallazgo que sugiere que el quásar data de una era cercana al nacimiento de las primeras estrellas del universo.
Basándose en numerosos modelos teóricos, la mayoría de los científicos está de acuerdo sobre la secuencia de sucesos que debió acontecer durante el desarrollo inicial del universo: Hace cerca de 14.000 millones de años, una explosión colosal, ahora conocida como el Big Bang, produjo cantidades inmensas de materia y energía, creando un universo que se expandía con suma rapidez. En los primeros minutos después de la explosión, protones y neutrones colisionaron en reacciones de fusión nuclear, formando así hidrógeno y helio.
Millones de años más tarde, después del enfriamiento del Universo, aparecieron las primeras galaxias
Finalmente, el universo se enfrió hasta un punto en que la fusión dejó de generar estos elementos básicos, dejando al hidrógeno como el elemento predominante en el universo. En líneas generales, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como por ejemplo el carbono y el oxígeno, no se formaron hasta que aparecieron las primeras estrellas. Los astrónomos han intentado identificar el momento en el que nacieron las primeras estrellas, analizando a tal fin la luz de cuerpos muy distantes. (Cuanto más lejos está un objeto en el espacio, más antigua es la imagen que de él recibimos, en luz visible y otras longitudes de onda del espectro electromagnético.) Hasta ahora, los científicos sólo habían podido observar objetos que tienen menos de unos 11.000 millones de años. Todos estos objetos presentan elementos pesados, lo cual sugiere que las estrellas ya eran abundantes, o por lo menos estaban bien establecidas, en ese momento de la historia del universo.
Supernova 1987 A
El Big Bang produjo tres tipos de radiación: electromagnética (fotones), radiación de neutrinos y ondas gravitatorias. Se estima que durante sus primeros 100.000 años de vida, el universo estaba tan caliente y denso que los fotones no podían propagarse; eran creados, dispersados y absorbidos antes de que apenas pudieran recorrer ínfimas distancias. Finalmente, a los cien mil años de edad, el universo se había expandido y enfriado lo suficiente para que los fotones sobrevivieran, y ellos comenzaron su viaje hacia la Tierra que aún no existía. Hoy los podemos ver como un “fondo cósmico de microondas”, que llega de todas las direcciones y llevan gravada en ellos una imagen del universo cuando sólo tenía esa edad de cien mil años.
Se dice que al principio sólo había una sola fuerza, la Gravedad que contenía a las otras tres que más tarde se desgajaron de ella y “caminaron” por sí mismas para hacer de nuestro universo el que ahora conocemos. En Cosmología, la fuerza de gravedad es muy importante, es ella la que mantiene unidos los sistemas planetarios, las estrellas en las galaxias y a las galaxias en los cúmulos. La Gravedad existe a partir de la materia que la genera para curvar el espacio-tiempo y dibujar la geometría del universo.
Imagen de un agujero negro en el núcleo de una galaxia arrasando otra próxima- Imagen tomada por la NASA
Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espacio-temporal, según las ecuaciones de Einstein: 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. es la esencia del agujero negro.
Lo cierto es que los físicos relativistas se han sentido muy frustrados desde que Einstein publicó su Teoría de la relatividad general y se desprendieron de ellas mensajes asombroso como el de la existencia de agujeros negros que predecían sus ecuaciones de campo. Así que, se dirigieron a los astrónomos para que ellos confirmaran o refutaran su existencia mediante la observación del universo profundo. Sin embargo y, a pesar de su enorme esfuerzo, los astrónomos no han podido obtener medidas cuantitativas de ninguna distorsión espacio-temporal de agujeros negros. Sus grandes triunfos han consistido en varios descubrimientos casi incontrovertibles de la existencia de agujeros negros en el universo, pero han sido incapaces de cartografiar, ni siquiera de forma ruda, esa distorsión espacio-temporal alrededor de los agujeros negros descubiertos. No tenemos la técnica para ello y somos conscientes de lo mucho que nos queda por aprender y descubrir.
Las matemáticas siempre van por delante de esa realidad que incansables buscamos. Ellas nos dicen que en un agujero negro, además de la curvatura y el frenado y ralentización del tiempo, hay un tercewr aspecto en la distorsión espacio-temporal de un agujero negro: un torbellino similar a un enorme tornado de espacio y tiempo que da vueltas y vueltas alrededor del horizonte del agujero. Así como el torbellino es muy lento lejos del corazón del tornado, también el torbellino. Más cerca del núcleo o del horizonte el torbellino es más rápido y, cuando nos acercamos hacia el centro ese torbellino espaciotemporal es tan rápido e intenso que arrastra a todos los objetos (materia) que ahí se aventuren a estar presentes y, por muy potentes que pudieran ser los motores de una nave espacial… ¡nunca podrían hacerla salir de esa inmensa fuerza que la atraería hacia sí! Su destino sería la singularidad del agujero negro donde la materia comprimida hasta límites inimaginables, no sabemos en qué se habrá podido convertir.
Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. El exponente máximo de dicha curvatura y distorsión temporal es el agujero negro que, comprime la masa hasta hacerla “desaparecer” y el tiempo, en la singularidad formada, deja de existir. En ese punto, la relatividadgeneral deja de ser válida y tenemos que acudir a la mecánica cuántica para seguir comprendiendo lo que allí está pasando.
Einstein no se preocupaba por la existencia de este extraño universo dentro del agujero negro porque la comunicación con él era imposible. Cualquier aparato o sonda enviada al centro de un agujero negroencontraría una curvatura infinita; es decir, el campo gravitatorio sería infinito y, como ya se explica anteriormente, nada puede salir de un agujero negro, con lo cual, el mensaje nunca llegará al exterior. Allí dentro, cualquier objeto material sería literalmente pulverizado, los electrones serían separados de los átomos, e incluso los protones y los neutrones dentro de los propios núcleos serían desgajados. De todas las maneras tenemos que reconocer que este universo especular es matemáticamente necesario para poder ir comprendiendo cómo es, en realidad, nuestro universo.
Con todo esto, nunca hemos dejado de fantasear. Ahí tenemos el famoso puente de Einstein-Rosen que conecta dos universos y que fue considerado un artificio matemático. De todo esto se ha escrito hasta la extenuación:
“Pero la factibilidad de poder trasladarse de un punto a otro del Universo recurriendo a la ayuda de un agujero de gusano es tan sólo el principio de las posibilidades. Otra posibilidad sería la de poder viajar al pasado o de poder viajar al futuro. Con un túnel conectando dos regiones diferentes del espacio-tiempo, conectando el “pasado” con el “futuro”, un habitante del “futuro” podría trasladarse sin problema alguno hacia el “pasado” Einstein—Rosen—Podolsky), para poder estar físicamente presente en dicho pasado con la capacidad de alterar lo que está ocurriendo en el “ahora”. Y un habitante del “pasado” podría trasladarse hacia el “futuro” para conocer a su descendencia mil generaciones después, si la hubo.“
El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la relatividad.
Lo cierto es que algunas veces, tengo la sensación de que aún no hemos llegado a comprender esa fuerza misteriosa que es la Gravedad, la que no se quiere juntar con las otras tres fuerzas de la Naturaleza. Ella campa solitaria y aunque es la más débil de las cuatro, esa debilidad resulta engañosa porque llega a todas partes y, además, como algunos de los antiguos filósofos naturales, algunos piensan que es la única fuerza del universo y, de ella, se desgajaron las otras tres cuando el Universo comenzó a enfriarse.
¡El Universo! Es todo lo que existe y es mucho para que nosotros, unos recien llegados, podamos llegar a comprenderlo en toda su inmensidad. Muchos son los secretos que esconde y, como siempre digo, son muchas más las preguntas que las respuestas. Sin embargo, estamos en el camino y… Como dijo el sabio: ¡Todos los grandes viajes comenzaron con un primer paso!
La nebulosa del Cangrejo, el impresionante resto de una supernova que explotó en el año 1054 – NASA / ESA
Estamos vivos gracias a la energía oscura
La fuerza responsable de la expansión acelerada del Universo parece estar ajustada para permitir la formación de galaxias y, por ende, de la vida
Si estamos vivos, es gracias a la energía oscura o, mejor dicho, gracias a su inexplicable debilidad. Esa es la conclusión de un impactante estudio recién publicado en arxiv.org en el que se recurre al principio antrópico (el mundo es necesariamente como es porque hay seres que se preguntan por qué es así) para justificar la intrigante debilidad de la fuerza que es responsable de la expansión acelerada del Universo.
Para Tomonori Totani, astrónomo de la Universidad de Tokio y autor principal del estudio, esta idea “crea un vínculo completamente nuevo entre energía oscura y astrobiología, campos que hasta ahora se habían considerados muy diferentes”.
La mayoría de las personas no se ha parado a pensar que la energía oscura, la misteriosa fuerza que lo impregna todo y que obliga a las galaxias a separarse cada vez más unas de otras es, en realidad, particularmente débil. De hecho, si hacemos caso de la mecánica cuántica y de las ecuaciones de Einsteinque describen la gravedad, la energía oscura debería ser, por lo menos, 120 ordenes de magnitud más fuerte de lo que es en realidad.
Sin embargo, si eso fuera así, ninguno de nosotros estaría aquí para observar el Universo y preguntarse, entre otras cosas, por la razón de la “debilidad” de la energía oscura. De hecho, si la energía oscura fuera tan poderosa como las teorías afirman que debería ser, habría separado mucho más deprisa la materia en el origen del Universo, impidiendo la formación de galaxias, estrellas y, por supuesto, de seres vivientes. Las leyes de la física, afirman muchos científicos invocando el principio antrópico, parecen estar ajustadas al milímetro para permitir la existencia de vida.
Totoni y sus colegas se preguntaron hasta qué punto una energía oscura más poderosa de la que observamos a nuestro alrededor podría seguir permitiendo la formación de galaxias y de seres vivos. Y por medio de una serie de simulaciones informáticas llegaron a la conclusión de que la materia podría seguir agrupándose para formar galaxias con una energía oscura que fuera entre 20 y 50 veces más fuerte de lo que es en realidad. Unos límites mucho más ajustados de los sugeridos por otros investigadores que sólo utilizaron las leyes de la física.
Galaxias tempranas
Los investigadores decidieron analizar con más detalle los modelos de Universo en los que la energía oscura era cerca de 50 veces más potente que en el nuestro. Y hallaron que, efectivamente, en esos universos aún podrían formarse galaxias, pero solo durante sus épocas más tempranas, antes de que el poder de la misteriosa energía oscura prevaleciera y terminara por alejar todo de todo.
Dado que, además, un Universo primitivo es mucho más denso que otro de larga vida, en el que la materia está ya muy separada, las galaxias que lograran formarse estarían llenas de estrellas que se apiñarían hasta 10 veces más de lo que lo hacen en nuestra Vía Láctea.
En esas galaxias tan densas, todas las estrellas estarían realmente muy cerca de sus vecinas. Y las estrellas muy masivas, que suelen vivir vidas muy cortas y explotar después como supernovas, liberarían dosis letales de radiación a los sistemas estelares cercanos y a sus planetas, esterilizándolos y haciendo imposible que la vida se desarrolle en ellos.
Los investigadores calcularon que este efecto, que previamente nunca había sido considerado, convertiría los Universos con una energía oscura muy fuerte en inhóspitos para la vida.
Por lo tanto, la “debilidad” de la energía oscura es, precisamente, la razón por la que estamos aquí. Según Totani, su propuesta podría cobrar fuerza si en el futuro, los astrobiólogos encuentran que la vida es mucho más rara en las regiones más densas de la galaxia.
La distinta posición de los otros planetas del Sistema Solar influye en la órbita de la Tierra – NASA/JPL
El tirón gravitacional de estos planetas alarga la órbita terrestre en un cinco por ciento cada 405.000 años, lo que influye en el clima
El clima de la Tierra es un fenómeno extremadamente complejo del que solo tenemos datos muy limitados. Por ejemplo, ocurre que los registros más antiguos de temperaturas datan del siglo XIX, y que las huellas del clima pasado que quedan en la geología son gruesas y hablan de períodos de tiempo muy largos. La mayoría de los expertos pueden detectar un calentamiento global acelerado por el hombre y agravado por la destrucción de la naturaleza, pero junto a este proceso hay otros naturales que ejercen una influencia que no siempre podemos comprender. La actividad del Sol, las erupciones volcánicas, el comportamiento de la magnetosfera o la actividad de los seres vivos también puede cambiar el clima de formas difíciles de preveer. A veces unos factores van en una misma dirección pero otras no. Esto muestra que en el clima lo único fijo es el cambio.
Un estudio publicado recientemente en «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) proporciona evidencias sólidas de otro proceso capaz de cambiar el clima. Científicos de la Universidad de Rutgers (Estados Unidos) han confirmado que el tirón gravitacional de Venus y Júpiter alarga la órbita de la Tierra en un cinco por ciento cada 405.000 años. Por eso, el planeta pasa por una etapa media, a los 202.500 años del comienzo del ciclo, en la que la órbita es casi circular. Esto ha estado influyendo en la cantidad de luz solar que ha llegado al hemisferio Norte y ha modulado el clima de la Tierra durante al menos los últimos 205 millones de años.
«Es un resultado impresionante, porque se pensaba que este largo ciclo había ocurrido hace 50 millones de años, pero ahora se ha confirmado para al menos los últimos 205 millones de años», ha dicho en un comunicado de la universidad de Rutgers Dennis V. Kent, primer autor del estudio y experto en paleomagnetismo. «Ahora, los científicos pueden vincular cambios en el clima, el medio ambiente, la evolución de los dinosaurios y los mamíferos y los fósiles en todo el mundo con este ciclo de 405.000 años de una forma precisa».
Desde hace mucho tiempo los astrofísicos han sugerido que la resonancia de los planetas del Sistema Solar crean ciclos en la órbita de la Tierra. Los cálculos matemáticos habían permitido, incluso, reconstruir la evolución de este fenómeno durante los últimos 50 millones de años. Pero ahora, por primera vez, los investigadores han encontrado evidencias físicas para apoyar esta hipótesis, lo que tiene relevancia para los estudios del clima, la evolución de la vida y la propia evolución del Sistema Solar.
Extracción de testigos de roca en Arizona con hasta 215 millones de años de antigüedad-Kevin Krajick/Lamont-Doherty Earth Observatory
Este efecto sobre la órbita es causado sobre todo por Venus y Júpiter. El motivo es que el primero es el planeta más cercano a la Tierra y que el segundo es, con mucho, el planeta más masivo del Sistema Solar. Pues bien, las órbitas de estos planetas hacen que cada varios cientos de miles de años la posición de estos mundos «tire» de la Tierra en relación con el Sol o que el efecto sea contrario.
Las rocas del pasado
Para llegar a estas conclusiones, los autores del estudio han extraido testigos de roca en Arizona y han analizado otras muestras procedentes de Nueva York y Nueva Jersey. En Arizona analizaron rocas formadas en el Triásico tardío, hace 209 a 215 millones de años, en un momento en que comenzaron a evolucionar los mamíferos y los dinosaurios y el súper continente de Pangea se fragmentó. En concreto, analizaron pruebas de fenómenos de inversión de los polos magnéticos.
En Nueva Jersey y Nueva York encontraron restos de la misma época con señales de una alternancia entre períodos secos y húmedos. Al combinar ambos obtuvieron evidencias de que el ciclo de 405.000 años potencia los efectos de otros ciclos planetarios que influyen en el clima.
Los ciclos de Milankovitch
¿Cuáles son estos ciclos? Si los sencillos movimientos de rotación y traslación determinan el paso de los días y las estaciones, algunos movimientos más sutiles del globo influyen en el clima y generan largos ciclos, que, por ejemplo, generan períodos glaciales e interglaciales. Se trata de los llamados ciclos de Milankovitch, en honor al matemático serbio que los estudió en los años veinte.
Dennis V. Kent posa junto a un testigo extraido de Arizona – Nick Romanenko/Rutgers University-New Brunswick
Se conoce un ciclo de 100.000 años en la excentricidad de la órbita terrestre y que se suma al de los 405.000 ahora estudiado. También hay un ciclo de 41.000 años de duración marcado por la inclinación del eje de la Tierra en relación con el Sol, y uno de 21.000 marcado por el cabeceo del planeta, que recuerda al de un trompo cuando gira y se tambalea.
La realidad es que todos estos ciclos influyen en el clima. Determinan cuánta luz solar incide sobre cada hemisferio, lo que es muy importante, porque el norte y el sur no tienen la misma superficie de tierra firme y de océano y, por lo tanto, no reaccionan igual a los cambios en la cantidad de radiación solar que llega.
Sin tener en cuenta que los continentes se mueven en el plazo de millones de años, puede ocurrir que varios de los ciclos de Milankovitch «empujen» en un mismo sentido y promuevan el calentamiento del planeta. Sin embargo, otras veces alcanzarán un equilibrio o bien promoverán el enfriamiento.
¿Detrás de las glaciaciones?
En los setenta se averiguó que los ciclos de Milankovitch parecían explicar la sucesión de glaciaciones y calentamientos de los últimos milones de años, pero no se puedo encajar estas tendencias con los cambios en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, otro gran factor que influye en el clima.
Ahora, la investigación de Kent explica que cuando el ciclo de 405.000 años llega al máximo y la órbita de la Tierra se alarga, los cambios provocados por los otros ciclos se hacen más intensos. En consecuencia, los veranos acaban siendo más cálidos y los inviernos más fríos. Los períodos secos más secos y los húmedos, más húmedos.
Esto coincide, según los investigadores, con lo que ocurrió a finales del Triásico, un momento en que el clima era cálido por motivos desconocidos. Las precipitaciones aumentaron cuando la órbita era más excéntrica, y cuando fue más circular aparecieron periódos más secos.
Según la teoría de Milankovitch, en la actualidad la Tierra está en el máximo de un ciclo de calentamiento de 21.000 años, que acabó con el último período glacial. Por tanto, dentro de milenios deberían comenzar a notarse los efectos del enfriamiento natural del clima. Por otro lado, el planeta está casi en la parte circular del ciclo de 405.000 años, por lo que es difícil que este ciclo tenga consecuencias en la escala de tiempo humano. «Podría pasar. Supongo que podríamos esperar para ver. Por otro lado, todo el dióxido de carbono que estamos metiendo en la atmósfera ahora es clave. Está teniendo un efecto que podemos medir justo ahora. El ciclo planetario es más sutil», ha explicado Dennis V. Kent.
Descarga gratuita
Inocentes como ellos
(1)
Totales: 71.716.344
Conectados: 32
por Emilio Silvera ~
Clasificado en La Complejidad ~
Comments (0) 
