El principio antrópico y otras cuestiones

                                            El Universo… ¿Sabía que nosotros íbanos a venir?

Parece conveniente hacer una pequeña reseña que nos explique que es un principio en virtud del cual la presencia de la vida humana está relacionada con las propiedades del Universo.  Como antes hemos comentado de pasada, existen varias versiones del principio antrópico.  La menos controvertida es el principio antrópico débil, de acuerdo con el cual la vida humana ocupa un lugar especial en el Universo porque puede evolucionar solamente donde y cuando se den las condiciones ademadas para ello.  Este efecto de selección debe tenerse en cuenta cuando se estudian las propiedades del Universo.

Una versión más especulativa, el principio antrópico fuerte, asegura que las leyes de la física deben tener propiedades que permitan evolucionar la vida.  La implicación de que el Universo fue de alguna manera diseñado para hacer posible la vida humana hace que el principio antrópico fuerte sea muy controvertido, ya que, nos quiere adentrar en dominios divinos que, en realidad, es un ámbito incompatible con la certeza comprobada de los hechos a que se atiene la ciencia, en la que la fe, no parece tener cabida. Sin embargo, algunos han tratado de hacer ver lo imposible.

“Basado en las propuestas del premio Nobel de física Paul Dirac sobre los ajustados, sincronizados y muy precisos valores de las constantes de la naturaleza, los físicos actuales comienzan a valorar aquello que han denominado el “principio antrópico¨, es decir, poco a poco, a lo largo de los años han entendido que siempre quedará un espacio de información faltante cuando intentamos teorizar o conceptualizar los inicios del universo supeditados exclusivamente sobre la capacidad contenida en las leyes de la física para explicar dichos inicios.”

El principio antrópico nos invita al juego mental de probar a “cambiar” las constantes de la Naturaleza y entrar en el juego virtual de ¿Qué hubiera pasado si…? Especulamos con lo que podría haber sucedido si algunos sucesos no hubieran ocurrido de tal a cual manera para ocurrir de ésta otra. ¿Qué hubiera pasado en el planeta Tierra si no aconteciera en el pasado la caída del meteorito que acabó con los dinosaurios? ¿Habríamos podido estar aquí hoy nosotros? ¿Fue ese cataclismo una bendición para la Humanidad y nos quitó de encima a unos terribles rivales?

Fantasean con lo que pudo ser…. Es un ejercicio bastante habitual, solo tenemos que cambiar la realidad de la historia o de los sucesos verdaderos para pretender fabricar un presente distinto.  Cambiar el futuro puede resultar más fácil, nadie lo conoce y no pueden rebatirlo con certeza ¿Quién sabe lo que pasará mañana?

El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales. Lo primero, uno de los pilares fundamentales de la relatividad especial es el postulado de que las leyes de la física son las mismas con independencia del observador. Esto fue una generalización de lo que ya se sabía cuando se comenzó a estudiar el campo electromagnético, pero todo lo que sabemos en la actualidad nos lleva a concluir que este postulado es bastante razonable.

Lo que ocurra en la Naturaleza del Universo está en el destino de la propia Naturaleza del Cosmos, de las leyes que la rigen y de las fuerzas que gobiernan sus mecanismos sometidos a principios y energías que, en la mayoría de los casos, se pueden escapar a nuestro actual conocimiento.

Lo que le pueda ocurrir a nuestra civilización además de estar supeditado al destino de nuestro planeta, de nuestro Sol y de nuestro Sistema Solar y la galaxia, también está en manos de los propios individuos que forman esa civilización y que, con sensibilidades distintas y muchas veces dispares, hace impredecibles los acontecimientos que puedan provocar individuos que participan con el poder individual, es decir, esa parcial disposición que tenemo0s  del “libre albedrío”.

            ¿Cómo sería nuestro mundo si las constantes universales fueran diferentes?

Siempre hemos sabido especular con lo que pudo ser o con lo que podrá ser  si….,  lo que, la mayoría de las veces, es el signo de cómo queremos ocultar nuestra ignorancia. Bien es cierto que sabemos muchas cosas pero, también es cierto que son más numerosas las que no sabemos.

Sabiendo que el destino irremediable de nuestro mundo, el planeta Tierra, es de ser calcinado por una estrella gigante roja en la que se convertirá el Sol cuando agote la fusión de su combustible de Hidrógeno, Helio, Carbono, etc.,  para que sus capas exteriores de materia exploten y salgan disparadas al espacio exterior, mientras  que, el resto de su masa se contraerá hacia su núcleo bajo su propio peso, a merced de la Gravedad, convirtiéndose en una estrella enana blanca de enorme densidad y de reducido diámetro.  Sabiendo eso, el hombre está poniendo los medios para que, antes de que llegue ese momento (dentro de algunos miles de millones de años), poder escapar y dar el salto hacia otros mundos lejanos que, como la Tierra ahora, reúna las condiciones físicas y químicas, la atmósfera y la temperatura adecuadas para acogernos.

                             El Sol será una Gigante roja y, cuando eso llegue, la Tierra…

Pero el problema no es tan fácil y, se extiende a la totalidad del Universo que, aunque mucho más tarde, también está abocado a la muerte térmica,  el frío absoluto si se expande para siempre como un Universo abierto y eterno. A estas alturas se ha descartado el Big Crunch y se saber que la expansión del Universo es imparable y que con el paso del tiempo las galaxias estarán más alejadas las unas de las otras hasta que, la energía, las temperaturas sean -273 ºC, un ámbito de muerte, allí nada -ni siguiera los átomos-, absolutamente nada se mueve.

        Nuevos cálculos sugieren que el Cosmos puede estar un poco más cerca a una muerte térmica. La muerte térmica (también muerte entrópica) es uno de los posibles estados finales del universo, en el que no hay energía libre para crear y mantener la vida y otros procesos. En términos físicos, el universo habrá alcanzado la máxima entropía.

“Para tener todo ese tumulto —estrellas en erupción, galaxias chocantes, agujeros negros que colapsan– el cosmos es un lugar sorprendentemente ordenado. Los cálculos teóricos han demostrado desde hace mucho que la entropía del universo – una medida de su desorden – no es más que una diminuta fracción de la cantidad máxima permitida.

Un nuevo cálculo de la entropía mantiene este resultado general pero sugiere que el universo está más desordenador de lo que los científicos habían pensado — y ha llegado ligeramente más lejos en su gradual camino hacia la muerte, según concluyen dos cosmólogos australianos.

Un análisis de Chas Egan de la Universidad Nacional Australiana en Canberra y Charles Lineweaver de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney indica que la entropía colectiva de todos los agujeros negros super-masivos en el centro de las galaxias es unas 100 veces mayor de lo anteriormente calculado. Debido a que los agujeros negros super-masivos son los mayores contribuyentes a la entropía cósmica, el hallazgo sugiere que la entropía del universo también es 100 veces mayor que la anterior estimación, según informaban los científicos el 23 de septiembre en ArXiv.org.

 

Big Freeze o Muerte térmica del universo. Este escenario es generalmente considerado como el más probable y ocurrirá si el Universo continúa en expansión como en el presente y llega al punto de que la temperatura alcanza el cero absoluto. Entonces ni los átomos se moverán.

 

El irreversible final está entre los tres modelos que se han podido construir para el futuro del Universo, de todas las formas  que lo miremos es negativo para la Humanidad -si es que puede llegar tan lejos-.  En tal situación, algunos ya están buscando la manera de escapar. Stephen Hawking ha llegado a la conclusión de que estamos inmersos en un multiverso. Como algunos otros él dice que existen múltiples universos conectados los unos a los otros.  Unos tienen constantes de la Naturaleza que permiten vida igual o parecida a la nuestra, otros posibilitan formas de vida muy distintas y otros muchos no permiten ninguna clase de vida.

Este sistema de inflación auto-reproductora nos viene a decir que cuando el Universo se expande (se infla) a su vez, esa burbuja crea otras burbujas que se inflan y a su vez continúan creando otras nuevas más allá de nuestro horizonte visible.  Cada burbuja será un nuevo Universo, o mini-universo en los que reinarán escenarios diferentes o diferentes constantes y fuerzas.

El escenario que describe la imagen, ha sido explorado y el resultado hallado es que en cada uno de esos universos, como hemos dicho ya, pueden haber muchas cosas diferentes, pueden terminar con diferentes números de dimensiones espaciales o diferentes constantes y fuerzas de la Naturaleza, pudiendo unos albergar la vida y otros no. Claro que, sólo son pensamientos y conjeturas de lo que podría ser.

El reto que queda para los cosmólogos es calcular las probabilidades de que emerjan diferentes universos a partir de esta complejidad inflacionaria ¿Son comunes o raros los universos como el nuestro? Existen, como para todos los problemas planteados diversas conjeturas y consideraciones que influyen en la interpretación de cualquier teoría cosmológica futura cuántico-relativista.  Hasta que no seamos capaces de exponer una teoría que incluya la relatividad general de Einstein (la Gravedad-Cosmos y la Mecánica Cuántica-Átomo, no será posible  contestar a ciertas preguntas.

Existen en realidad, en nuestro Universo las cuerdas vibrantes de la Teoría M, o, simplemente se trata de un ejercicio mental complejo

Todas las soluciones que buscamos parecen estar situadas en teorías más avanzadas que, al parecer, solo son posibles en dimensiones superiores, como es el caso de la teoría de supercuerdas situada en 10 ó 26 dimensiones, allí, si son compatibles la relatividad y la mecánica cuántica, hay espacio más que suficiente para dar cabida  a las partículas elementales, las fuerzas gauge de Yang-Mill, el electromagnetismo de Maxwell y, en definitiva, al espacio-tiempo y la materia, la descripción verdadera del Universo y de las fuerzas que en el actúan.

Científicamente, la teoría del Hiperespacio lleva los nombres de teoría de Kaluza-Klein y súper gravedad.  Pero en su formulación más avanzada se denomina teoría de supercuerdas, una teoría que desarrolla su potencial en nueve dimensiones espaciales y una de tiempo, diez dimensiones.  Así pues, trabajando en dimensiones más altas, esta teoría del Hiperespacio puede ser la culminación que conoce dos milenios de investigación científica: la unificación de todas las fuerzas físicas conocidas.  Como el Santo Grial de la Física, la “teoría de todo” que esquivó a Einstein que la buscó los últimos 30 años de su vida.

 

En ausencia de materia y energía, el espacio-tiempo es plano, no tiene curvatura. Este es el llamado espacio-tiempo de Minkowski o de la relatividad especial. Cuando hay materia/energía, el espacio-tiempo se curva, siendo la curvatura más alta en aquellas regiones donde la acumulación de materia/energía es mayor.

De todas las maneras y a pesar de lo que hemos podido desvelar, parece que algo no va, algunos parámetros se presentan difusos, la Gravedad no acabamos de entenderla, el mundo infinitesimal… es raro.

Durante el último medio siglo, los científicos se han sentido intrigados por la aparente diferencia entre las fuerzas básicas que mantienen unido al al Universo: la Gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil.  Los intentos por parte de las mejores mentes del siglo XX para proporcionar una imagen unificadora de todas las fuerzas conocidas han fracasado.  Sin embargo, la teoría del Hiperespacio permite la posibilidad de explicar todas las fuerzas de la Naturaleza y también la aparentemente aleatoria colección de partículas subatómicas, de una forma verdaderamente elegante.  En esta teoría del Hiperespacio, la “materia” puede verse también como las vibraciones que rizan el tejido del espacio y del tiempo.  De ello se sigue la fascinante posibilidad de que todo lo que vemos a nuestro alrededor, desde los árboles y las montañas a las propias estrellas, no son sino vibraciones del Hiperespacio.

No, no será fácil llegar a las respuestas de éstas difíciles preguntas que la física tiene planteadas. Y, sin embargo, ¿Cómo podríamos describir lo que en estas teorías han llegado a causar tanta pasión en esos físicos que llevan años luchando con ellas? Recuerdo haber leído aquella conferencia apasionante que dio E. Witten en el Fermilab. Su pasión y forma de encausar los problemas, sus explicaciones, llevaron a todos los presentes a hacerse fervientes y apasionados fans de aquella maravillosa teoría, la que llaman M. Todos hablaban subyugados mucho después de que el evento hubiera terminado. Según contó León Lederman, que asistió a aquella conferencia: “Yo nunca había visto nada igual, cuando Witten concluyó su charla, hubo muchos segundos de silencio, antes de los aplausos y, tal hecho, es muy significativo.

Claro que, a medida que la teoría ha ido topándose con unas matemáticas cada vez más difíciles y una proliferación de direcciones posibles, el progreso y la intensidad que rodeaban a las supercuerdas disminuyeron hasta un nivel más sensato, y ahora, sólo podemos seguir insistiendo y esperar para observar que nos puede traer el futuro de esta teoría que, es posible (y digo sólo posible) que se pueda beneficiar, de alguna manera, de las actividades del LHC que, en algunas de sus incursiones a ese mundo fantasmagórico de lo infinitesimal, podría -y digo podría- atisbar las sombras que puedan producir las supercuerdas.

“Estamos a las puertas de desafiar las actuales leyes de la física. El Fermilab y un equipo internacional de 200 científicos ha publicado los primeros resultados de su experimento Muon g-2 y se han encontrado importantes evidencias de que el Modelo Estándar de la física de partículas no es suficiente para explicar lo observado. Un experimento realizado con una precisión sin precedentes y que anticipa la posible existencia de una fuerza o partícula desconocida.”

No son pocos los físicos capaces que están empeñados en demostrar esa teoría. Por ejemplo, Físicos de SLAC desarrollan una prueba de marco de trabajo dependiente para la Teoría de Cuerdas Crítica. La Teoría de Cuerdas resuelve muchas de las cuestiones que arruinan la mente de los físicos, pero tiene un problema importante — no hay actualmente ningún método conocido para comprobarla y, si las energías requeridas para ello, es la de Planck  (10¹⁹ GeV), la cosa se pone fea.

Está claro que, al tratar todas estas hipotéticas teorías, no pocos, han pensado que, algún día, se podría realizar el sueño de viajar por el Hiperespacio y, de esa manera, se habría logrado el medio para escapar de la Tierra cuando el momento fatídico, en el cual el Sol se convierta en gigante roja, no podamos seguir aquí.

Aunque muchas consecuencias de esta discusión son puramente teóricas, el viaje en el Hiperespacio (El Hiperespacio en ciencia ficción es una especie de región conectada con nuestro universo gracias a los agujeros de gusano, y a menudo sirve como atajo en los viajes interestelares para viajar más rápido que la luz), si llegara a ser posible, podría proporcionar eventualmente la aplicación más práctica de todas: salvar la vida inteligente, incluso a nosotros mismos de la muerte de este Universo cuando al final llegue el frío o el calor.

        También en la teoría de supercuerdas está incluida ¡la Gravedad-Cuántica! Otra Ilusión

Esta nueva teoría de supercuerdas, tan prometedora del hiperespacio es un cuerpo bien definido de ecuaciones matemáticas, podemos calcular la energía exacta necesaria para doblar el espacio y el tiempo o para cerrar agujeros de Gusano que unan partes distantes de nuestro Universo.  Por desgracia, los resultados son desalentadores.  La energía requerida excede con mucho cualquier cosa que pueda  existir en nuestro planeta.  De hecho, la energía es mil billones de veces mayor que la energía de nuestros mayores colisionadores de átomos.  Debemos esperar siglos, o quizás milenios, hasta que nuestra civilización desarrolle la capacidad técnica de manipular el espacio-tiempo  utilizando la energía infinita que podría proporcionar un agujero negro para de esta forma poder dominar el Hiperespacio que, al parecer, es la única posibilidad que tendremos para escapar del lejano fin que se avecina. ¿Qué aún tardará mucho? Sí, pero el tiempo es inexorable y….,  la debacle llegará.

        Sí, hemos logrado mucho. Arriba tenemos la  imagen de la emisión en radio de un magnetar

No existen dudas al respecto, la tarea que nos hemos impuesto es descomunal, imposible para nuestra civilización de hoy pero, ¿y la de mañana, no habrá vencido todas las barreras? Creo que, el hombre es capaz de plasmar en hechos ciertos todos sus pensamientos e ideas, solo necesita tiempo y, como nos ha demostrado DA14 en el presente, ese tiempo que necesitamos, está en manos de la Naturaleza y, nosotros, nada podemos hacer si ella, no nos lo concede. Y, si por desventura es así, todo habrá podido ser, un inmenso sueño ilusionante de lo que podría haber sido si…

emilio silvera

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Las reacciones en el núcleo solar consumen entre 4’3 y 4’6 millones de toneladas de materia cada segundo, de manera que de 4.654.000 t de hidrógeno, 4.650.000 se transforman en helio, y las 4.000 toneladas que faltan son lanzadas al espacio en forma de radiación termonuclear (luz y calor) de la que una pequeña parte nos llega a la Tierra para hacer posible la vida.

De acuerdo a la relación masa-energía de Einstein, liberan 3’89×10²⁶ J de energía nuclear. Este inmenso flujo de energía es rápidamente transformado en energía térmica, que es transportado, isotrópicamente, hacia el exterior, primero por irradiación aleatoria y luego más rápidamente por convección direccional.

Suponiendo (como antes apuntaba) que la radiación es isótropa, la potencia de la luz visible que atraviesa cada metro cuadrado de la capa emisora de la fotosfera es aproximadamente de 64 MW. Como en el espacio no hay prácticamente atenuación de la radiación solar, cuando ésta alcanza la órbita de la Tierra tiene una densidad de potencia igual al cociente entre la luminosidad total del Sol (3’89 × 10²⁶ W) y el área de una esfera de radio orbital (que, como promedio, es de unos 150 millones de kilómetros).

Este flujo, tradicionalmente conocido como la constante solar, es la tasa máxima de energía que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. A principios de los años setenta, la NASA utilizó para el diseño de las naves espaciales un valor de la constante solar igual a 1.353 W/m². El flujo ha sido medido directamente en el espacio desde 1.979, cuando el satélite Nimbus 7 obtuvo un valor de 1.371 W/m². En el más reciente satélite de la Solar Maximum Mission lanzado en 1.980 se obtuvo una media ponderada de 1.368’3 W/m².

Las observaciones continuadas desde el espacio han revelado la existencia de una compleja regularidad de pequeñas fluctuaciones de corta duración que, debido a la interferencia de la atmósfera, no habían podido ser observadas anteriormente. Estas fluctuaciones de poca duración (del orden de días a semanas) y de hasta un 0’2 por ciento son debidas al paso de manchas oscuras y fáculas brillantes que arrastra el Sol en su rotación; el ciclo medido es de 11 años, en el que la radiación solar disminuye en un 0’1 por ciento entre el valor máxima y el mínimo.

La longitud de onda de la energía electromagnética emitida por el Sol y que llega a la Tierra varía en más de diez órdenes de magnitud. Va desde la longitud de onda más corta, que corresponde a los rayos gamma y rayos X de menos de 10^-10 m, hasta la longitud de ondas de radio que superan el metro.

El aspecto del espectro de la radiación solar es similar al de un cuerpo negro a 6.000º K. Ambos espectros son especialmente parecidos en el rango de la longitud de onda mayor que la del amarillo, pero para longitudes de onda menores, el espectro solar cae notablemente por debajo de la línea de los 6.000º K. De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien, la emisión máxima a esta temperatura es de 483 nm, cerca del final de la zona azul del espectro visible y próximo al verde.

El flujo de energía se reparte desigualmente entre las tres grandes categorías espectrales: radiación ultravioleta (UV), cuya longitud de onda va desde las más cortas hasta los 400 nm y contribuye con menos del 9 por ciento de la radiación total; la luz visible, que va desde los 400 nm del violeta más lejano hasta los 700 nm del rojo más oscuro y representa un 39 por ciento; y la radiación infrarroja (IR), que representa cerca del 52 por ciento.

Reacción protón-protón para formar helio 4 liberando energía

La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy diferente de la radiación extraterrestre, tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual global es ligeramente inferior a 170 W/m² en los océanos y de unos 180 W/m² en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que Nueva Inglaterra o las regiones de Europa occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe al mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades subárticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Liberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m², mientras que en Pearl Harbor, a 15 Km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m².

La radiación solar media de 170 W/m² representa anualmente una energía de 2’7×10²⁴ J, que equivale a 87 PW. Esta cantidad es casi 8.000 veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Sólo una pequeña fracción de este inmenso flujo es absorbida por los pigmentos de las plantas para realizar la fotosíntesis, y una parte algo mayor, pero también pequeña, se utiliza para calentar las plantas, los cuerpos de los animales y las personas, así como sus refugios.

La radiación también sustenta la vida porque al calentar los océanos, las rocas y los suelos, impulsa funciones fundamentales en la biosfera, tales como el ciclo del agua, la formación de los vientos, el mantenimiento de la temperatura adecuada para que funcionen los procesos metabólicos y la descomposición orgánica. Además, es la causante de la erosión que transporta los nutrientes minerales para la producción primaria de materia orgánica.

                Sección transversal del Sol

A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación solar absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5.800º K), la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300º K (27ª C). El máximo de emisión de esa esfera caliente está en la zona del IR a 966 μm. Como el 99% de la radiación solar llega en longitudes de onda menores de 4 μm y el espectro terrestre apenas alcanza los 3 μm, el solapamiento de frecuencias entre estos dos grandes flujos de energías es mínimo.

Observar la Naturaleza es el único camino que tenemos para obtener las respuestas a tantas preguntas sin contestar. El motor que produce la energía que mantiene la vida en el planeta Tierra es el Sol y, de él debemos aprender para lograr esa energía de fusión que pronto, se hará imprescindible. Los combustibles fósiles no duraran para siempre y, alternativas viables que logren suplir y abastacer las exigencias de las nuevas Sociedades Humanas…Están en la Naturaleza para que, nuestro ingenio, las sepan captar.

Falta mucho aún, en un futuro muy lejano, en el que la Humanidad podrá obtener energías sin fin del disco de Acreción de los Agujeros Negros Super-masivos. Ahí, se encuentran corrientes de energías que, algín día, podrán ser captadas para los distintos usos que, en aquellos momentos del futuro, serán cosa cotidiana para la Humanidad. ¿Abrir agujeros de gusano será uno de los objetivos?

Bueno, según los cálculos realizados por expertos en relatividad General y Agujeros Negros, las energías desatadas en los discos de acreción de estos exóticos objetos, van más allá de lo que conocemos y, sus posibilidades (si algún día podemos dominarla, serán…”infinitas”.

emilio silvera

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