¿Por qué es así el Universo que conocemos?

Un universo lleno de estrellas masivas, de galaxias, de mundos, de Nebulosas, de cuásares y de agujeros negros… ¿Un Universo lleno de Vida?

El Universo es todo lo que podemos tocar, sentir, percibir, medir o detectar. Abarca los cosas vivas, los planetas, las estrellas, las galaxias, las nubes de polvo, la luz e incluso el tiempo. Antes de que naciera el Universo, no existían el tiempo, el espacio ni la materia

           Aquí tenemos algunas de esas constantes

Está muy claro que, nuestro mundo es como es, debido a una serie de parámetros que, poco a poco, hemos ido identificando y hemos denominado Constantes de la Naturaleza.  Esta colección de números misteriosos son los culpables, los responsables, de que nuestro Universo sea tal como lo conocemos que, a pesar de la concatenación de movimientos caóticamente impredecibles de los átomos y las moléculas, nuestra experiencia es la de un mundo estable y que posee una profunda consistencia y continuidad.

Poco a poco pudimos ir conociendo los secretos del Universo

Sí, nosotros también hemos llegado a saber que con el paso del tiempo, aumenta la entropía y las cosas cambian.  Sin embargo, algunas cosas no cambian, continúan siempre igual, sin que nada les afecte.  Esas, precisamente, son las constantes de la naturaleza que, desde mediados del siglo XIX, comenzó a llamar la atención de físicos como George Johnstone Stoney (1.826-1.911, Irlanda).

Las estrellas pueden clasificarse de muchas maneras.  Una manera es mediante su etapa evolutiva: en pre-secuencia  principal, secuencia principal, gigante, supergigante, enana blanca, estrella de neutrones y Agujeros negros.  Estas últimas son la consecuencia del final de sus vidas como tales estrellas, convirtiéndose en objetos estelares de una u otra clase en función de sus masas originales.

Estrellas como nuestro Sol, al agotar el combustible nuclear se transforman en gigantes rojas, explotan en Novas y finalmente quedan como enanas blancas.  Si la masa es mayor serán estrellas de neutrones, y, si aún son mayores, su final está en Agujeros Negros.

Comparación: la mayoría de las enanas marrones son apenas más grandes que Júpiter (10-15%), pero pueden ser hasta 75 veces más pesadas debido a su alta densidad.

Otra clasificación es a partir de sus espectros, que indican su temperatura superficial.  Otra manera es en Poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor edad.  También evolución estelar y magnitudes aparentes y absolutas y el tipo espectral con la distancia en a. L., es otra de las clasificaciones.

Agrupaciones de estrellas en el diagrama H-R Se observa que las estrellas no se distribuyen aleatoriamente en dicho diagrama sino que tienden a agruparse en ciertas regiones que se denominan: ∗ Secuencia Principal: Muchas estrellas caen sobre una diagonal que va desde el extremo superior izquierdo de las estrellas muy luminosas blanco-azuladas, hasta el extremo inferior derecho de las enanas rojas.

∗ Gigantes rojas: Son estrellas de coloración rojiza más luminosas que las de similares colores ubicadas sobre la Secuencia Principal. ∗ Supergigantes rojas: Son estrellas de coloración rojiza o amarilla, mucho más luminosas que las gigantes rojas. ∗ Enanas blancas: Son estrellas muy débiles pero de temperaturas superficiales altas (típicas Ts ∼ 10000 K), de ahí su colación  blancuzca. Son muy débiles por ser de tamaños muy pequeños.

Después de estas clasificaciones genéricas tenemos otras mas particulares y definidas referidas a estrellas binarias, estrellas capullo, con baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja  masa, de bario, de bariones, de campo, de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, estrella de la población I extrema, de la población intermedia, de la rama gigante asintótica, estrella de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio y, viceversa, estrella de metales pesados, de neutrones, estrellas de quarks (Hipotética con densidad intermedia entre la estrella de neutrones y el agujero negro), estrella de referencia, de silicio, de tecnecio, de tiempo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estándar, evolucionada,  etc.

La variedad de estrellas es grande y para los estudiosos fascinantes.  Tal diversidad es debida a la evolución que desde su formación tiene cada tipo de estrella en función de su masa y de los gases y polvo cósmico que la forman y los que se crean en su núcleo (horno solar) a miles de millones de grados de temperatura capaces de transformar materiales simples como el hidrógeno hacia una gama más compleja y pesada que, finalmente, mediante la explosión de supernova (más temperatura), arroja al espacio materiales que, a su vez, forman nuevas estrellas de 2ª y 3ª generación con materiales complejos.  La vida es nuestro planeta, pudo surgir gracias a que en la Tierra había abundancia de estos materiales creados en las estrellas, podemos decir, sin temor a equivocarnos que nosotros mismos estamos hechos del  material creado en las estrellas lejanas que posiblemente, hace miles de millones de años explotó en supernova a millones de años luz de nuestro Sistema Solar.

Pero retomando el tema central de éste capítulo, las constantes fundamentales de la naturaleza,  tenemos que decir que, precisamente, éstas constantes son las que tienen el  mérito de que las estrellas brillen en las Galaxias y de que nosotros estemos aquí para mirar a los cielos y contemplar su belleza.

Al principio, mencioné a George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar  poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.

Pero su pasión  real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”.  Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica.  Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J.I.Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1.897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a ésta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1.891 (antes de su descubrimiento).

Unidades de Stoney

Stoney, primo lejano, y, más viejo, del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald,  después famoso por proponer la “contracción Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

“La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza.  Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros somos parte del misterio que estamos tratando de resolver”.

Max Planck

Las Unidades naturales de Max Planck

“Las unidades de Planck o unidades naturales son un sistema de unidades propuesto por primera vez en 1899 por Max Planck. El sistema mide varias de las magnitudes fundamentales del universo: tiempo, longitud, masa, carga eléctrica y temperatura. El sistema se define haciendo que las cinco constantes físicas universales de la tabla tomen el valor 1 cuando se expresen ecuaciones y cálculos en dicho sistema.”

La idea de Stoney fue descubierta en una forma diferente por el físico alemán Max Planck en 1.899, un año antes de que expusiera al mundo su teoría del “cuanto de acción” ћ.

Planck es uno de los físicos más importantes de todos los tiempos.  Como antes he apuntado, descubrió la naturaleza cuántica la energía que puso en marcha la revolución cuántica de nuestra comprensión del mundo, ofreció la primera descripción correcta de la radiación térmica (“espectro de Planck”) y una de las constantes fundamentales de la naturaleza lleva su nombre.

Ganador del premio Nóbel de Física de 1.918, también fue, en el primer momento, el único que comprendió la importancia que, para la física y para el mundo, tendría el artículo del joven Einstein, en 1.905, sobre la teoría de la relatividad Especial.  Hombre tranquilo y modesto que fue profundamente admirado por sus contemporáneos más jóvenes, como el mismo Einstein y Bohr.

La concepción que tenía Planck de la naturaleza ponía mucho énfasis en su racionalidad intrínseca y en su independencia del pensamiento humano.  Había que encontrar esas estructuras profundas que estaban lejos de las necesidades de la utilidad y conveniencia humanas pero que, en realidad, estaban ahí ocultas en lo más profundo de los secretos naturales y eran las responsables de que nuestro mundo, nuestro Universo, fuese tal como lo conocemos.

                      El sueño de una gran Teoría Unificada que responda cualquier pregunta

En el último año de su vida un antiguo alumno le preguntó si creía que buscar la forma de unir todas las constantes de la naturaleza mediante alguna teoría más profunda era atractivo.  Le contestó con el entusiasmo templado por el realismo y experiencia conociendo cuantas dificultades entrañaba tal empresa.

               El Modelo Estándar rechaza la Gravedad

“Su pregunta sobre la posibilidad de unificar todas las constantes universales de la naturaleza, es sin duda una idea atractiva.  Por mi parte, sin embargo, tengo dudas de que se logre con éxito.  Pero puedo estar equivocado”

A diferencia de Einstein, Planck no creía que se pudiera alcanzar realmente una teoría globalizadora que explicara todas las constantes de la naturaleza.

Mientras que Stoney había visto en la elección de unidades prácticas una manera de cortar el nudo gordiano de la subjetividad, Planck utilizaba sus unidades especiales para sustentar una base no antropomórfica para la física  y “que, por consiguiente, podría describirse como “unidades naturales”

De acuerdo con su perspectiva universal, en 1.899 Planck propuso que se construyeran unidades naturales de masa, longitud y tiempo a partir de las constantes más fundamentales de la Naturaleza: La constante de gravitación G, la velocidad de la luz c y la constante de acción h, que ahora lleva el nombre de Planck.  La constante de Planck determina la mínima unidad de cambio posible en que pueda alterarse la energía, y que llamó “cuanto”.  Las unidades de Planck son las únicas combinaciones de dichas constantes que pueden formarse en dimensiones de masa, longitud, tiempo y temperatura.  Sus valores no difieren mucho de los de Stoney:

Estas formulaciones con la masa, la longitud, el tiempo y la temperatura de Planck incorporan la G (constante de gravitación), la h (la constante de Planck) y la c, la velocidad de la luz.  La de la temperatura, incorpora además, la k de los grados Kelvin.

La constante de Planck racionalizada (la más utilizada por los físicos), se representa por ћ que es igual a h/2π que vale del orden de 1,054589×10^-34 Julios/segundo.

En las unidades de Planck, una vez más, vemos un contraste entre la pequeña, pero no escandalosamente reducida unidad natural de la masa y las unidades naturales fantásticamente extremas del tiempo, longitud y temperatura.  Estas cantidades tenían una significación sobrehumana para Planck. Entraban en La Base de la realidad física:

“Estas cantidades conservarán su significado natural mientras la Ley de Gravitación y la de Propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos; por lo tanto, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos.”

¿Quién sabe si nos observan?

En sus palabras finales alude a la idea de observadores en otro lugar del Universo que definen y entienden estas cantidades de la misma manera que nosotros.

De entrada había algo muy sorprendente en las unidades de Planck, como lo había también en las de Stoney.  Entrelazaban la Gravedad con las constantes que gobierna la electricidad y el magnetismo.

“La creciente distancia entre la imagen del mundo físico y el mundo de los sentidos no significa otra cosa que una aproximación progresiva al mundo real.”

Max Planck

Podemos ver que Max Planck apelaba a la existencia de constantes universales de la Naturaleza como prueba de una realidad física al margen y completamente diferentes de las mentes humanas.  Al respecto decía:

“Estos…números, las denominadas “constantes universales” son en cierto sentido los ladrillos inmutables del edificio de la física teórica.  Deberíamos preguntar:

¿Cuál es el significado real de estas constantes?”

Una de las paradojas de nuestro estudio del Universo circundante es que a medida que las descripciones de su funcionamiento se hacen más precisas y acertadas, también se alejan cada vez más de toda la experiencia humana.

“Lo que realmente me interesa es si Dios podría haber hecho del mundo una cosa diferente; es decir, si la necesidad de simplicidad lógica deja la más mínima libertad”.

Albert Einstein

La masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa

Einstein hizo más que cualquier otro científico por crear la imagen moderna de las leyes de la Naturaleza.  Desempeñó un papel principal en la creación de la perspectiva correcta sobre el carácter atómico y cuántico del mundo material a pequeña escala, demostró que la velocidad de la luz introducía una relatividad en la visión del espacio de cada observador, y encontró por sí solo la teoría de la gravedad que sustituyó la imagen clásica creada por Isaac Newton más de dos siglos antes que él.  Su famosa fórmula de E = mc², es una fórmula milagrosa, es lo que los físicos definen como la auténtica belleza.   Decir mucho con pocos signos y, desde luego, nunca ningún físico dijo tanto con tan poco.  En esa reducida expresión de e = mc², está contenido uno de los mensajes de mayor calado del Universo: masa y energía, son la misma cosa.

Einstein siempre estuvo fascinado por el hecho de que algunas cosas deben parecer (aparecer, permanecer, ser…) siempre iguales, independientemente de cómo se mueva el que las ve, como la luz en el vacío, c.

Él nos dijo el límite con que podríamos recibir información en el Universo, la velocidad de c.

Él reveló todo el alcance de lo que Stoney y Planck simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una constante sobrehumana fundamental de la naturaleza.  También sabía el maestro que, en el proceso de nuevas teorías, la búsqueda de la  teoría final que incluyera a otras fuerzas de la naturaleza distintas de la gravedad, daría lugar a teorías nuevas y cada vez mejores que irían sustituyendo a las antiguas teorías.  De hecho, él mismo la buscó durante los 30 últimos años de su vida pero, desgraciadamente, sin éxito.   Ahora se ha llegado a la teoría de supercuerdas que sólo funciona en 10 y 26 dimensiones y es la teoría más prometedora para ser la candidata a esa teoría final de la que hablan los físicos.

El físico espera que las constantes de la naturaleza respondan en términos de números puros que pueda ser calculado con tanta precisión como uno quiera.  En ese sentido se lo expreso Einstein a su amiga Ilse Rosenthal-Schneider, interesada en la ciencia y muy amiga de Planck y Einstein en la juventud.

Lo que Einstein explicó a su amiga por cartas es que existen algunas constantes aparentes que son debidas a nuestro hábito de medir las cosas en unidades particulares.  La constante de Boltzmann es de este tipo.  Es sólo un factor de conversión entre unidades de energía y temperatura, parecido a los factores de conversión entre las escalas de temperatura Fahrenheit y centígrada.  Las verdaderas constantes tienen que ser números puros y no cantidades con “dimensiones”,  como una velocidad, una masa o una longitud.  Las cantidades con dimensiones siempre cambian sus valores numéricos si cambiamos las unidades en las que se expresan.

Unidades de Stoney                                                Unidades de Planck

La interpretación de las unidades naturales de Stoney y Planck no era en absoluto obvia para los físicos.   Aparte de ocasionarles algunos quebraderos de cabeza al tener que pensar en tan reducidas unidades y, sólo a finales de la década de 1.960 el estudio renovado de la cosmología llevó a una plena comprensión de éstos patrones extraños.  Uno de los curiosos problemas de la Física es que tiene dos teorías hermosamente efectivas (la mecánica cuántica y la relatividad general)  pero gobiernan diferentes dominios de la naturaleza.

La Mecánica cuántica domina en el micro.mundo de los átomos y de las partículas “elementales”.  Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio.  Esta onda no es como una onda de agua.  Se parece más a una ola delictiva o una ola de histeria: es una onda de información.  Nos indica la probabilidad de detectar una partícula.  La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa.  Se utiliza para describir la expansión del Universo o el comportamiento en situaciones extremas,  como la formación de agujeros negros.  Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que, la incidencia gravitatoria es despreciable.  Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y Galaxias, donde la presencia de la Gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

Según parece, la Gravedad Cuántica es una teoría que subyace (de manera natural) en la Teoría de Cuerdas de 11 dimensiones. Allí, al contrario que ocurre con el Modelo Estándar, la Gravedad aparece cómodamente instalada sin que surjan los dichosos infinitos.

Como resultado de éstas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el Universo de lo muy pequeño o en el Universo de lo muy grande.  Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Supongamos que tomamos toda la masa del Universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica.  Podemos preguntarnos en qué momento ésta longitud de onda cuántica del Universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el Universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33 centímetros, más joven que el tiempo de Planck,  10^-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales.  Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad.  Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del Universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck.  Las constantes de la Naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

Seguiremos hablando del Universo

emilio silvera

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