Siempre han llamado nuestra atención esas figuras perfectas, armoniosas y simétricas que, aparecen en la Naturaleza, ante nuestros ojos, y, a pesar de que algunas tienen conformaciones complejas, se repiten con una perfección que causa en nosotros  un cierto asombro no exento de curiosidad. Tanto en el “universo” del microcosmos como en el del macrocosmos, existen estructuras regulares y armoniosas en espiral, esféricas o con forma de hélice que nuestra innata curiosidad nos ha llevado a investigar para llegar a saber que obedecen a precisas reglas matemáticas y biológicas en algunos casos.

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, a mí 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 extremidad de su rama, aparecen con la misma forma inicial. Un asimetría que está presente en los organismos 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 fuerzas 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 acercarse 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.

Simetrías por todas partes

¿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 ella, 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.

                    El hexágono en los copos de nieve

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 indiferentemente 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 correspondencia bilateral, lo que hace relativamente intercambiables derecha e izquierda.

El hombre de Vitruvio de Da Vinci

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.

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?

 

El objetivo final de la física es describir con precisión, con la mayor precisión posible, exactamente cómo se comportará cada sistema físico que pueda existir en nuestro Universo. Las leyes de la física deben aplicarse universalmente: las mismas reglas deben funcionar para todas las partículas y campos en todas las ubicaciones en todo momento. Deben ser lo suficientemente buenos para que, sin importar las condiciones que existan o los experimentos que realicemos, nuestras predicciones teóricas coincidan con los resultados medidos.

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, precolombinos e hindúes e, incluso, en los tatuajes con los que los maoríes neozelandeses se decoran el rostro.

La búsqueda de la perfección geométrica 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 simetrías de joven belleza, en deteriorados objetos o entidades que, nos viene a recordar que nada es perpetuo, que todo pasa y se transforma.

             No, mirándonos al espejo no podemos ver la Belleza Interior que… ¡No es material!

Un dolor que llevo dentro de mí es el no poder contemplar la verdadera belleza que, estando 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 esplendor 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 remedio que concluir que es ese brillo y esplendor el que me da la fuerza para seguir cada día en la dura lucha que nos ha tocado participar.

¡Sí que es importante la Belleza! Dirac tenía toda la razón. En su fórmula está la prueba. ¡Dice tanto con tan poco!

emilio silvera

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Gracias al Sol, podemos tener una serie de mejoras y tecnologías que aprovechan sus rayos de luz y su calor para obtener la energía limpia que necesitamos, y, cierto es que, teniéndolo tan cerca (es la estrella más cercana a nosotros), aún nos queda por desvelar muchos secretos que esconde. Pero veámoslo desde otras perspectivas.

Se han programado modelos donde la composición de la Corona del Sol ha sido alterada digitalmente y que, mediante la combinación de 30 fotografías se nos hace ver las periféricas olas y filamentos y, por mi parte, con el modelo por delante en la pantalla de mi ordenador, estoy viendo esa parte interior brillante de la corona (corona K), provocada por la luz del Sol difundida por electrones. Es la auténtica corona, al revés que la corona F, que es debida a la luz difundida por las partículas de polvo.

Debido a las velocidades extremadamente altas de los electrones libres (en promedio unos 10.000 Km/s para una temperatura coronal de unos 2 millones de K, las líneas de Fraunhofer del espectro fotosférico se encuentran difuminadas de manera que el espectro de la corona K es casi un puro continuo.

Ante la imagen de arriba y las figuras que están presenten en ese resplandor de la corona del Sol, estoy viendo la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitacionales son intensos, como es el caso de la fuerza de Gravedad que produce la inmensa masa de nuestro Sol y, a su alrededor, el espacio se curva y el tiempo se distorsiona.

En relatividad general la geometría del espacio-tiempo está íntimamente relacionada con la distribución de materia. En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría euclidea se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180º. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvarán. Esto es, en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

Es un hecho comprobado que, la presencia de grandes masas como la de planetas (La Tierra) o estrellas (El Sol), distorsionan el espacio y dibujan la geometría del Universo gracias a la fuerza de Gravedad. Así nos lo explica la relatividad general de Einstein largamente comprobada.

En los modelos cosmológicos más sencillos, basados en el universo de Friedman, la curvatura del espacio-tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de materia, y se describe por una función matemática exacta denominada métrica de Robertson-Walker.

Métrica de Robert-Walker

Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo dibujados sobre la esfera es entonces mayor que 180º. Dicho universo tiene tamaño y vida finita; se trata de un universo cerrado.

Un universo con menor densidad que la crítica se dice que tiene curvatura negativa, como la superficie de una silla de montar, en la que la suma de los ángulos de un triángulo es menor que 180º. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, se trata de un universo abierto. El Universo del Einstein-de Sitter tiene densidad crítica y es, por consiguiente, especialmente plano (euclideo) e infinito tanto en el espacio como en el tiempo.

Como la distorsión del tiempo y la curvatura espacial no la podemos ver (sólo se dejan sentir sus efectos) al ver la Imagen distorsionada de la Corona me vino a la mente la curvatura espaciotemporal que producen las grandes masas en el espacio circundante, y, de ahí llegue a los tres modelos del universo abierto, cerrado y plano que arriba quedan significados.

En realidad, lo que aquí arriba estamos viendo es la corona visible en luz blanca, la Corona del Sol observada en longitudes de onda visibles durante los eclipses totales de Sol y con coronógrafos. La emisión en luz blanca tiene su origen en la luz de la fotosfera del Sol que se difunde por los electrones libres (la corona K) y el polvo (la corona F). Una pequeña cantidad de luz visible procede de las líneas de emisión (la corona E).

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 entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

Esta fuerza es la responsable de tener cohesionado todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.

No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

Cuando hablamos de la Corona del Sol nos estamos refiriendo a un gas altamente ionizado y extremadamente caliente (alrededor de los 2 millones de K) que rodea al Sol. Existen otras estrellas que también presentan coronas. La corona solar (como podemos comprobar arriba) son visible durante los eclipses totales como una región blanca que se extiende varios radios solares, mostrando filamentos, penachos, plumas y burbujas o bucles.

La Corona solar es un misterio sin resolver

La radiación de la corona en luz blanca tiene componentes debidas a líneas de emisión (la corona E) a la difusión de electrones (la corona K) y a partículas de polvo (la corona F). La extensión externa de la corona es el viento solar.

Las imágenes de rayos X de la corona solar muestran estructuras complejas con bucles cerca de los grupos de manchas solares, y cerca de los puntos brillantes de rayos X, más pequeños. La emisión de rayos X, además de las líneas de emisión de los átomos altamente ionizados (líneas coronales), indican que la temperatura es de unos 2 millones de K; pueden ser encontradas temperaturas incluso mayores de 4 millones K en las condensaciones coronales.

Los campos magnéticos con una intensidad de 10³ tesla, gobiernan la forma de la corona. Los campos magnéticos forman bucles cerrados en las regiones activas, y en la mayor parte de la corona tranquila (es decir, regiones no activas), si bien en los agujeros coronales las líneas de campo magnéticos son abiertas y se extienden por el espacio, no volviendo al Sol.

Por el momento, se desconoce como se calienta la corona, aunque el mecanismo probablemente está conectado con los fuertes campos magnéticos allí presentes. De todas las maneras de millones de K en la corona a 5.770 K en la superficie, 4.400 K en el mínimo de temperatura de la fotosfera y, una cromosfera de 20.000 K, nos da a entender que existe un aumento de temperatura con la altitud –en la región de transición- hacia la corona donde la tempera llega al máximo antes expresado de millones de K.

Está claro que, también sobre el Sol debemos procurar profundizar en esas lagunas que se forman en nuestro entendimiento de los fenómenos que allí ocurren y, la temperatura de la Corana Solar, es una de ellas.

El Sol quema la masa de un millón de elefantes por segundo, es decir, el equivalente a cuatro millones de toneladas de Hidrógeno.

La enorme presión gravitatoria en el interior del Sol supera la repulsión electrostática entre los núcleos de hidrógeno (protones) y los obliga a acercarse. Se fusionan hasta convertirse en núcleos de helio.

Cada kilogramo de hidrógeno consumido por el Sol libera la misma energía que una bomba de hidrógeno de 1 megatón.

Una erupción solar de gran tamaño contiene suficiente energía como para asegurar el suministro en Estados Unidos durante 100.000 años.

El Sol tiene un potente campo magnético que se retuerce y se enrolla, y a veces arroja al espacio gigantescas nubes de plasma. Una explosión registrada el 28 de octubre de 2010, por ejemplo, lanzó al espacio un tornado de plasma de 350.000 km.

El Sol contiene el 98,8% de la masa total del Sistema Solar. El otro 1,2% en su mayor parte corresponde a Júpiter.

 

 

Tiene una vida aproximada de 10.000 millones de años, y se encuentra en el ecuador de su vida. Cuando su combustible se esté agotando, se hinchará y nos engullirá a todos. Para entonces ya deberíamos haber encontrado otro planeta donde residir.

 

Nadie diría que con este consumo tan alto de hidrógeno por segundo, el Sol pudiera durar mucho tiempo, pero es que ese cálculo no tiene en cuenta el enorme tamaño del Sol. Su masa totaliza 2.200.000.000.000.000. 000.000.000.000 (más de dos mil cuatrillones) de toneladas. Un 53% de esta masa es hidrógeno, lo cual significa que el Sol contiene en la actualidad una cantidad de 1.166.000.000.000.000.000.0000.0000.000 toneladas.

Para completar datos diré que el resto de la masa del Sol es casi todo helio. Menos del 0’1 por 100 de su masa está constituido por átomos más complicados que el helio. El helio es más compacto que el hidrógeno. En condiciones idénticas, un número dado de átomos de helio tiene una masa cuatro veces mayor el mismo número de átomos de hidrógeno. O dicho de otra manera: una masa dada de helio ocupa menos espacio que la misma masa de hidrógeno. En función del volumen – el espacio ocupado –, el Sol es hidrógeno en un 80 por ciento.

Si suponemos que el Sol fue en origen todo hidrógeno, que siempre ha convertido hidrógeno en helio al ritmo dicho de 654 millones de toneladas por segundo y que lo seguirá haciendo hasta el final, se calcula que ha estado radiando desde hace unos 4.000 millones de años y que seguirá haciéndolo durante otros cinco mil millones de años más.

Pero las cosas no son tan simples. El Sol es una estrella de segunda generación, constituida a partir de gas y polvo cósmico desperdigado por estrellas que se habían quemado y explotado miles de millones de años atrás. Así pues, la materia prima del Sol contenía ya mucho helio desde el principio, lo que nos lleva a pensar que el final puede estar algo más cercano.

      La radiación solar incide en la Tierra y produce una serie de fenómenos que contribuyen a que las cosas sean tal como las podemos ver

Por otra parte, el Sol no continuará radiando exactamente al mismo ritmo que ahora. El hidrógeno y el helio no están perfectamente entremezclados. El helio está concentrado en el núcleo central y la reacción de fusión se produce en la superficie del núcleo.

La complejidad que encierra los mecanismos de una simple estrella es tan profunda que, para conocer los entresijos de la más cercana a nosotros (el Sol, del que por cierto depende la vida en la Tierra), necesitamos investigar más, hacer nuevos modelos y nuevas observaciones que, a través de sondas espaciales robóticas nos puedan decir lo que realmente allí ocurre.

Fuente: Isaac Asimov y alguna otra

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