Cuando por primera vez se puso este trabajo, dio lugar a comentarios que nos llevan hasta la realidad de hasta donde, resulta para nosotros incomprensible ese micro mundo de la cuántica, ese “universo” infinitesimal donde ocurren cosas que, no llegamos a comprender.
Sí, existe otro mundo que no vemos pero, ¡está en éste!
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. 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.
La Gravedad hace que la Tierra se vea como un mapa. Es una vista altamente exagerada, pero ilustra a las claras cómo la atracción gravitatoria que se manifiesta desde la masa de roca bajo nuestros pies no es la misma en todo lugar. La gravedad es más fuerte en áreas amarillas y más débil en las azules. (Imagen tomada por el satélite Goce)
Como resultado de estas 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 esta 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.
En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”. La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes.
Los tiempos cambian y la manera de informar también, lejos nos queda ya aquellos toscos aparatos impresores del pasado, ahora, en espacios muy reducidos, tenemos guardada más información que antes había en una colección de libros.
Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1.975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.
“Grid Computing consiste en conectar un grupo de ordenadores de manera descentralizada con el fin de formar un superordenador virtual. La potencia de cálculo distribuida de manera flexible permite realizar tareas complejas con varios recursos simultáneamente y optimizar el uso de la infraestructura.”
Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros. Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10-66 cm2. Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.
La información llega a todos los rincones del Mundo
No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas. Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.
Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y mprotón.
α = 2πe2 / hc ≈ 1/137
αG = (Gmp2)2 / hc ≈ 10-38
La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y aG, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.
Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala. La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.
Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck). Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.
Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos. Con los adelantos actuales, estudiando la luz lejana de cuásares muy antiguos, se estudia si la constante de estructura fina (α) ha variado con el paso del tiempo.
Ninguna imagen podrá nunca reflejar la realidad del Universo, su grandeza
El Universo es muy grande, inmensamente grande y, probablemente, todo lo que nuestras mentes puedan imaginar podrá existir en alguna parte de esas regiones perdidas en las profundidades cósmicas, en los confines del Espacio- Tiempo, en lugares ignotos de extraña belleza en los que otros mundos y otras criaturas tendrán, su propio hábitat que, siendo diferente al nuestro, también, sus criaturas, estarán buscando el significado de las leyes del Universo.
emilio silvera
La posibilidad (conseguida muy recientemente) de detectar ondas gravitacionales hace posible estudiar objetos que hasta ahora eran casi invisibles. Aquí, en la presentación, nos dicen: El secreto que guardaron un siglo los agujeros negros.
Cuando dos objetos masivos colisionan se forman ondas gravitacionales posibles de detectar
Durante la Primera Guerra Mundial, mientras calculaba trayectorias de proyectiles como artillero en el frente ruso, el físico alemán Karl Schwarzschild estudiaba la recién publicada Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein. Además de comprobar que las ecuaciones de su compatriota describían el universo con una precisión sin precedentes.
Schwarzschild observó que también implicaban la existencia de objetos cósmicos inesperados. Las curvaturas del tejido del espacio tiempo provocadas por los planetas o las estrellas generaban una especie de pozos gravitatorios que mantienen a los humanos anclados a la Tierra y hace que la Luna gire a nuestro alrededor mientras nosotros viajamos alrededor del Sol. En casos extremos, cuando la concentración de masa fuese máxima, la atracción gravitatoria sería tan intensa que ni siquiera la luz escaparía a su influjo.
La inmensa fuerza de Gravedad que genera la singularidad atrae todo lo que se acerque a su dominio
Aquella fue la primera vez que se planteó la existencia de los agujeros negros, un concepto tan extraño que hasta Einstein dudó de su existencia real. Poco después, mientras seguía rumiando las consecuencias de su idea más revolucionaria, le escribió a Schwarzschild sobre la posibilidad de que algunos objetos supermasivos como aquellos extraños agujeros negros produjesen ondulaciones en el tejido espaciotemporal similares a las que se producen cuando se arroja una piedra a un estanque.
Un siglo después, aquellas hipótesis locas han sido confirmadas por pruebas empíricas. En septiembre de 2015, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, captó las primeras ondas gravitacionales producidas justo en el momento en que dos agujeros negros chocaban un instante antes de fusionarse. Aquellos objetos tenían entre 10 y 30 veces la masa del Sol y su unión liberó en una fracción de segundo más energía que todas las estrellas conocidas juntas. Este tipo de colisiones habían sido predichas, pero era la primera vez que se observaban.
Una hipótesis plantea que los agujeros negros nacieron juntos en forma de pareja de estrellas
Como se anunció entonces, la posibilidad de detectar ondas gravitacionales inauguraba una nueva etapa para la astronomía, que podía estudiar de forma directa fenómenos hasta entonces invisibles. Esta semana, un equipo de investigadores de la Universidad de Birmingham, en Reino Unido, y las universidades de Maryland y Chicago, en EE UU, ha publicado en Nature los resultados de uno de los primeros trabajos de esta nueva astronomía. Su intención era explicar cómo se formaban las parejas de agujeros negros como las que ha detectado LIGO.
Captan dos estrellas masivas que funden con el beso de la muerte
Ilya Mandel, científico de la Universidad de Birmingham y coautor del artículo, explica en The Conversation que los astrónomos se plantean dos hipótesis para la formación de estas parejas. En una de ellas, la pareja habría iniciado su periplo unida desde el inicio, con el nacimiento simultáneo de dos estrellas masivas. Después de una larga existencia, cuando su combustible nuclear se agotase, ambas se colapsarían bajo el peso de su propia gravedad concentrándose hasta formar dos agujeros negros. Si estuviesen a la distancia adecuada, ambos objetos empezarían a perder parte de la energía que los mantenía en sus órbitas en forma de ondas gravitacionales y caerían en una espiral hacia el otro hasta fusionarse. En la segunda opción que se plantea, los monstruos cósmicos se habrían formado por separado, pero lo habrían hecho en una parte del universo con superpoblación de estrellas. Los tirones gravitatorios de esos astros habrían acabado por reunir a los dos agujeros negros.
Y finalmente captaron las ondas gravitacionales predichas por la Teoría de la Relatividad
La información proporcionada por LIGO permite saber si estos objetos rotan lentamente o lo hacen rápido y si están alineados entre ellos o no. Por ahora, los datos indican que los agujeros negros giran sobre sí mismos a toda velocidad y que no están alineados. Esto pondría los datos contra la teoría de que se formaron como estrella binaria e indicaría que, al menos en este caso, las dos bestias gravitatorias surgieron por separado en una región con muchas estrellas y se acabaron por unir después.
Los agujeros negros atraen la materia circundante y la engullen, ni la luz se escapa de sus garras gravitatorias. Y, en realidad, el fenómeno es digno de ser estudiado, ya que, si la luz no es materia (como tal) ¿Cómo la puede atraer?
Los autores señalan que ese tipo de agujeros negros serían similares a los observados en nuestra galaxia. Calculan que harían falta otras diez observaciones de los efectos de la fusión de otras parejas para confirmar su origen. Sin embargo, también advierten que es posible que esos agujeros lejanos sean distintos de los que vemos en nuestro vecindario y en ese caso harían falta muchas más observaciones para dar sentido a tanta complejidad. Resolver el misterio del todo requerirá tiempo, pero al menos ya se sabe que los protagonistas de la historia son reales. Lo que se sabe ahora, pese a todo lo que se desconoce, habría fascinado a aquel artillero que aprovechaba los descansos entre disparos para reflexionar sobre los enigmas del universo.
Fuente: El País
En la tumba de David Hilbert (1862-1943), en el cementerio de Gotinga (Alemania), dice:
“Debemos saber. Sabremos”.
Estoy totalmente de acuerdo con ello. El ser humano está dotado de un resorte interior, algo en su mente que llamamos curiosidad y que nos empuja (sin que en muchas ocasiones pensemos en el enorme esfuerzo y en el alto precio que pagamos) a buscar respuestas, a querer saber el por qué de las cosas, a saber por qué la naturaleza se comporta de una u otra manera y, sobre todo, siempre nos llamó la atención aquellos problemas que nos llevan a buscar nuestro origen en el origen mismo del universo y, como nuestra ambición de saber no tiene límites, antes de saber de dónde venimos, ya nos estamos preguntando hacia dónde vamos.
Desde muy pequeños ya queremos saber y no dejamos de plantear preguntas
Nuestra osadía no tiene barreras y, desde luego, nuestro pensamiento tampoco las tiene, gracias a lo cual, estamos en un estadio de conocimiento que a principios del siglo XXI, se podría calificar de bastante aceptable para dar el salto hacia objetivos más valiosos.
Es mucho lo que hemos avanzado en los últimos ciento cincuenta años. El adelanto en todos los campos del saber es enorme. Las matemáticas, la física, la astronomía, la química, la biología genética, y otras muchas disciplinas científicas que, en el último siglo, han dado un cambio radical a nuestras vidas.
El crecimiento es exponencial; cuanto más sabemos más rápidamente avanzamos. Compramos ordenadores, teléfonos móviles, telescopios y microscopios electrónicos y cualesquiera otros ingenios e instrumentos que, a los pocos meses, se han quedado anticuados, otros nuevos ingenios mucho más avanzados y más pequeños y con muchas más prestaciones vienen a destituirlos.
¿Hasta dónde podremos llegar?
Con el tiempo suficiente por delante… no tenemos límite. Todo lo que la mente humana pueda idear… podrá hacerlo realidad. A excepción, claro está, de las imposibilidades físicas que, en este momento, no tenemos la capacidad intelectual para enumerar. La verdad es que nuestra especie es inmortal. Sí, lo sé, a nivel individual morimos pero…, debemos tener un horizonte más amplio y evaluar una realidad más global y, sobre todo, a más largo plazo. Todos dejamos aquí nuestro granito de arena, lo que conseguimos no se pierde y nuestras antorchas son tomadas por aquellos que nos siguen para continuar el trabajo emprendido, ampliar los conocimientos, perfeccionar nuestros logros y pasar a la fase siguiente.
Este es un punto de vista que nos hace inmortales e invencibles, nada podrá parar el avance de nuestra especie, a excepción de nuestra especie misma.
Ninguna duda podemos albergar sobre el hecho irrefutable de que venimos de las estrellas* y de que nuestro destino, también está en las estrellas**.
La humanidad necesita más energía para continuar avanzando. Los recursos naturales fósiles, como el petróleo, el gas o el carbón, son cada vez más escasos y difíciles de conseguir. Se ha llegado a un punto en el que se deben conseguir otras energías.
Dentro de unos treinta años estaremos en el camino correcto. La energía de fusión sería una realidad que estará en plena expansión de un comenzar floreciente. Sin residuos nocivos peligrosos como las radiaciones de la fisión nuclear, la fusión nos dará energía limpia y barata en base a una materia prima muy abundante en el planeta Tierra.
Nuestro Sol fusiona hidrogeno en helio a razón de 4.654.000 toneladas por segundo. De esta enorme cantidad de hidrógeno, 4.650.000 toneladas se convierten en helio. Las 4.000 toneladas restantes son lanzadas al espacio en forma de luz y calor, energía termonuclear de la que, una parte, llega al planeta Tierra y hace posible la vida.
Resulta pues que el combustible nuclear de las estrellas es el hidrógeno que mediante su fusión hace posible que genere tal enormidad de energía. Así lleva el Sol unos 4.500 millones de años y se espera que al menos durante un período similar nos esté regalando su luz y su calor.
Las diferencias son notables entre los dos planetas. ¿Será algún día habitable el planeta rojo?
Pero ¿tenemos hidrógeno en el planeta Tierra para tal empresa de fusión nuclear?
La verdad es que sí. La fuente de suministro de hidrógeno con la que podemos contar es prácticamente inagotable…
¡El agua de los mares y de los océanos!
Todos sabemos que el hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Está presente en el agua y en todos los compuestos orgánicos. Químicamente, el hidrógeno reacciona con la mayoría de los elementos. El hidrógeno se utiliza en muchos procesos industriales, como la reducción de óxidos minerales, el refinado del petróleo, la producción de hidrocarburos a partir de carbón y la hidrogenación de los aceites vegetales y, actualmente, es un candidato muy firme para su uso potencial en la economía de los combustibles de hidrógeno en la que se usan fuentes primarias distintas a las energías derivadas de combustibles fósiles (por ejemplo, energía nuclear, solar o geotérmica) para producir electricidad, que se emplea en la electrólisis del agua. El hidrógeno formado se almacena como hidrógeno líquido o como hidruros de metal.
Bueno, tantas explicaciones sólo tienen como objeto hacer notar la enorme importancia del hidrógeno. Es la materia prima del universo, sin él no habría estrellas, no existiría el agua y, lógicamente, tampoco nosotros podríamos estar aquí sin ese preciado elemento.
Cuando dos moléculas de hidrógeno se junta con una de oxígeno (H2O), tenemos el preciado líquido que llamamos agua y sin el cual la vida no sería posible.
Así las cosas, parece lógico pensar que conforme a todo lo antes dicho, los seres humanos deberán fijarse en los procesos naturales (en este caso el Sol y su producción de energía) y, teniendo como tiene a su disposición la materia prima (el hidrógeno de los océanos), procurar investigar y construir las máquinas que sean necesarias para conseguir la fusión, la energía del Sol.
Esa empresa está ya en marcha y, como he dicho al principio de este comentario, posiblemente en unos treinta años sería una realidad que nos dará nuevas perspectivas para continuar el imparable avance en el que estamos inmersos.
Pero no me gustaría cerrar este comentario sobre la fusión sin contestar a una importante pregunta…
¿Y por qué la fusión?
Porque tiene una serie de ventajas muy significativas en seguridad, funcionamiento, medio ambiente, facilidad en conseguir su materia prima, ausencia de residuos peligrosos, posibilidad de reciclar los escasos residuos que genere, etc.
Esquema de un reactor nuclear de fusión tipo tokamak, como ITER
- Los recursos combustibles básicos (deuterio y litio) para la fusión son abundantes y fáciles de obtener.
- Los residuos son de helio, no radiactivos.
- El combustible intermedio, tritio, se produce del litio.
- Las centrales eléctricas de fusión no estarán expuestas a peligrosos accidentes como las centrales nucleares de fisión.
- Con una elección adecuada de los materiales para el propio dispositivo de fusión, sus residuos no serán ninguna carga para las generaciones futuras.
- La fuente de energía de fusión es sostenible, inagotable e independiente de las condiciones climáticas.
Para producir la energía de fusión sólo tenemos que copiar lo que hace el Sol. Tenemos que hacer chocar átomos ligeros de hidrógeno para que se fusionen entre sí a una temperatura de 15 millones de grados Celsius, lo que, en condiciones de altas presiones (como ocurre en el núcleo del Sol) produce enormes energías según la formula E = mc2 que nos legó Einstein demostrando la igualdad de la masa y la energía.
Ese estado de la materia que se consigue a tan altas temperaturas, es el plasma, y sólo en ese estado se puede conseguir la fusión.
Aunque en Europa la aventura ya ha comenzado, y para ello se han unido los esfuerzos económicos de varias naciones, la empresa de dominar la fusión no es nada fácil, pero…, démosle… ¡Tiempo!
Siempre será la Naturaleza la que nos indique el camino a seguir. En las estrellas se “fabrican” los elementos mediante la fusión nuclear, los elementos sencillos se han cada vez más complejos a medida que avanza el proceso y, finalmente, son las explosiones supernovas las que nos traen los elementos más complejos como el Uranio, el número 92 de la Tabla Periódica.
¡TIEMPO!
Sí, es el tiempo el factor que juega a nuestro favor para conseguir nuestros logros más difíciles, para poder responder preguntas de las que hoy no tenemos respuesta, y es precisamente la sabiduría que adquirimos con el paso del tiempo la que nos posibilita para hacer nuevas preguntas, más profundas que las anteriores y que antes, por ignorancia, no podríamos hacer. Cada nuevo conocimiento nos abre una puerta que nos invita a entrar en una nueva región donde encontramos otras puertas cerradas que tendremos que abrir para continuar nuestro camino. Sin embargo, hasta ahora, con el “tiempo” suficiente para ello, hemos podido franquearlas hasta llegar al momento presente en el que estamos ante puertas cerradas con letreros en los que se puede leer: fusión, teoría M, viajes espaciales tripulados, nuevas formas de materia, el gravitón, la partícula de Higgs, las ondas de energía de los agujeros negros, hiperespacio, otros universos, materia oscura, y otras dimensiones.
Científicos del DIPC y el Centro de Física de Materiales (CSIC-UPV) y de la Universidad de Cambridge, han creado una lente que puede concentrar la luz en dimensiones inferiores a las de un átomo. Los investigadores han utilizado nanopartículas de oro para desarrollar estas lentes focalizadoras, que permiten ver enlaces químicos individuales en las moléculas.
Nuestras predicciones teóricas sugerían que esto podía ser posible, como así se ha comprobado ahora, asegura el profesor Javier Aizpurua, que lidera los esfuerzos teóricos de esta investigación, y cuyo desarrollo ha permitido entender el confinamiento y la interacción de la luz con moléculas en escalas tan pequeñas.
El equipo de investigadores experimentales de Cambridge, liderado por el profesor Jeremy Baumberg, ha utilizado oro altamente conductor para fabricar la cavidad óptica más pequeña del mundo (pico-cavidad), que confina la luz a una distancia inferior a una mil millonésima de metro.
Los resultados se han publicado en Science.
Fuente: Revista mensual electrónica de la Real Sociedad Española de Física.
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por Emilio Silvera ~
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