Presentado en la XIX Edición del

Es sorprendente ver como “doctos” licenciados dicen que ellos conocen lo que es el Universo, por ejemplo, o lo que pasó en los primeros tres minutos a partir de lo que llamamos Big Bang. En realidad, se están refiriendo a que tienen un modelo del Universo temprano, y que este modelo encaja con los resultados que hasta el momento hemos obtenido mediante experimentos y observaciones.

No siempre este modelo científico es una fiel imagen de la realidad. Los átomos y las moléculas que componen el aire que respiramos, por ejemplo, se pueden describir en términos de un modelo en el que imaginamos cada partícula como si fuera una pequeña esfera perfectamente elástica, con todas las pequeñas esferas rebotando unas contra otras y contra las paredes del recipiente que las contiene.

Esa es la imagen mental, pero es sólo la mitad del modelo; lo que lo hace modelo científico es describir el modo como se mueven las esferas y rebotan unas contra otras mediante un grupo de leyes físicas, escritas en términos de ecuaciones matemáticas. En este caso, éstas son esencialmente las leyes del movimiento descubiertas por Newton hace más de trescientos años. Utilizando estas leyes matemáticas es posible predecir, por ejemplo, que le pasará a la presión ejercida por un gas si se aplasta hasta la mitad de su volumen inicial. Si hacemos el experimento, y, el resultado que se obtiene encaja con la predicción del modelo, este será un buen modelo.

De hecho, todos los modelos científicos tienen aplicabilidad limitada. Ninguno de ellos es “la verdad”. Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por partículas denominadas protones y neutrones, lo que en realidad debería decir es que el núcleo de un átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado de protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como sí “, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; científicos menores a menudo olvidan esta diferencia crucial.

Los científicos menores, y muchos no-científicos, tienen otra idea equivocada. A menudo piensan que el papel de los científicos hoy en día es llevar a cabo experimentos que probarán la exactitud de sus modelos con una precisión cada vez mayor (hacia posiciones con más y más decimales). ¡En absoluto! La razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir dónde fallan los modelos. Encontrar defectos en sus modelos es la esperanza abrigada por los mejores científicos, porque esos defectos destacarán los lugares donde necesitamos una nueva comprensión, con modelos mejores, para progresar.

El arquetípico ejemplo de esto es la gravedad. La ley de la gravedad de Isaac Newton se consideró la pieza clave de la física durante más de doscientos años, desde la década de 1680 hasta comienzos del siglo XX. Pero había unas pocas, aparentemente insignificantes, cosas que el modelo newtoniano no podía explicar o predecir, referente a la órbita del planeta mercurio y al modo como la luz se curva cuando pasa cerca del Sol. El modelo de gravedad de Albert Einstein, basado en su teoría general explica lo mismo que el modelo de Newton pero también explica esos detalles sutiles de órbitas planetarias y curvatura de la luz. En ese sentido, es un modelo mejor que el anterior, y hace predicciones correctas (en particular, sobre el Universo en general) que el viejo modelo no hace. Pero el modelo de Newton todavía es todo lo que se necesita si se está calculando el vuelo de una sonda espacial desde la Tierra a la Luna.

¿SABEMOS COMO COMENZÓ EL UNIVERSO?

Esta ahora ampliamente aceptado que el Universo donde habitamos surgió a partir de una singularidad con densidad y energía “infinita” que dio lugar a una bola de fuego caliente y densa a la que llamamos Big Bang. En los años veinte y treinta, los astrónomos descubrieron por primera vez que nuestra Galaxia es simplemente una isla de estrellas dispersa entre muchas galaxias similares, y que grupos de estas galaxias se están apartando las unas de las otras a medida que el espacio se expande. Esta idea del Universo en expansión fue realmente predicha por la teoría general de la relatividad de Einstein, terminada en 1916 pero no se tomó en serio hasta que los observadores hicieron sus descubrimientos. Cuando se tomó en serio los matemáticos descubrieron que las ecuaciones describían exactamente el tipo de expansión que observamos, con la implicación de que si las galaxias se van alejando con el tiempo entonces deberían haber estado más juntas en el pasado, y hace mucho tiempo toda la materia en el Universo debería estar acumulada en una densa bola de fuego.

Es la combinación de la teoría y de la observación la que hace que la idea del Big Bang sea tan convincente; en los años sesenta llegó una clara evidencia, con el descubrimiento de un siseo débil de ruido de radio, la radiación cósmica de fondo, que viene de todas las direcciones del espacio y se interpreta como la radiación restante del mismo Big-Bang.

Como la expansión del Universo, la existencia de esta radiación de fondo fue predicha por la teoría antes de ser observada experimentalmente. A finales del siglo XX, la combinación de teoría y observaciones había establecido que el tiempo que ha pasado desde el Big Bang es de unos 14 mil millones de años, y que existen cientos de miles de millones de galaxias como la nuestra dispersas de un extremo al otro del Universo en expansión.

La pregunta a la que se están enfrentando ahora los cosmólogos es ¿Cómo empezó el mismo Big Bang?

El punto de partida para enfrentarnos a esta pregunta es el modelo estándar propio de los cosmólogos, que combina todo lo que han aprendido de las observaciones del universo en expansión con el entendimiento teórico del espacio y el tiempo incorporado a la teoría general de Einstein. El establecimiento de este modelo se ha visto favorecido por el hecho de que cuanto más lejos miramos del Universo, más tiempo atrás vemos. Debido a que la luz viaja a una velocidad finita, cuando miramos galaxias alejadas millones de años luz, la vemos como si estuvieran presentes como eran millones de años antes, cuando salió la luz que llega ahora a nuestros telescopios.

Con telescopios potentes, los astrónomos pueden ver qué aspecto tenía el Universo cuando era más joven (y la radiación cósmica de fondo nos permite “ver-con radiotelescopios- la última etapa de la bola de fuego que fue el Big Bang).

Lo más atrás que hemos visto, el origen de la radiación de fondo corresponde a un tiempo unos pocos cientos de miles de años después del momento del Big Bang, cuando todo el Universo estaba lleno de gas caliente (conocido técnicamente como plasma) a aproximadamente la misma temperatura que la que tiene la superficie del Sol hoy en día, unos pocos miles de grados Celsius. En ese momento, lo que ahora es el Universo visible entero era solo una milésima parte de su tamaño actual y no había objetos individuales en la escala de las estrellas o galaxias en el remolino de material caliente.

Moviéndonos hacia delante en el tiempo, las irregularidades observadas en la radiación de fondo son justamente del tamaño y estructura correctos para explicar el origen de las galaxias y de los grupos de galaxias – son las semillas donde creció la estructura que vemos en el Universo hoy- .

Yendo hacia atrás en el tiempo, la estructura de las irregularidades vista en la radiación de fondo nos habla sobre el tipo de irregularidades que había en el Universo cuando era incluso más joven, justo hasta ese momento atrás en que la teoría general por sí misma se rompe.

Lo primero, y más importante, que hay que decir sobre estas irregularidades en la radiación de fondo es que son diminutas. Son tan pequeñas que al principio era imposible medirlas, y la radiación parecía que viniera perfectamente uniforme desde todas las direcciones en el espacio (isotropía). Si la radiación fuera perfectamente uniforme, todo el modelo estándar del Universo se desbarataría, ya que si no hubiera habido irregularidades en la bola de fuego del Big Bang no habría habido semillas desde donde las galaxias pudieran crecer, y nosotros al no haberse formado las estrellas y fabricado en sus núcleos los materiales complejos de los que estamos hechos, no estaríamos aquí. El hecho de que los científicos estén tratando de resolver estas preguntas han convencido a los astrónomos de que debería haber irregularidades en la radiación de fondo, sólo había que desarrollar instrumentos sensibles para medirlas.

En este sentido podríamos citar el satélite de la NASA COBE que fue capaz de hacer medidas suficientemente sensibles para demostrar que había efectivamente minúsculas ondulaciones en la radiación de fondo. Las dos preguntas clave derivadas del descubrimiento son: ¿por qué la radiación de fondo es casi lisa?, ¿Qué crea las ondulaciones?

La primera pregunta es más profunda de lo que se pueda pensar, porque incluso hoy, 14 mil millones de años después, el Universo es todavía casi liso. Esto no es obvio si contrastamos la luminosidad de una galaxia como nuestra Vía Láctea con la oscuridad del espacio entre las galaxias pero enseguida se hace evidente a mayores escalas. El Universo no es exactamente uniforme, pero incluso en términos de distribución de las galaxias es uniforme en cierto sentido. Si tomamos una fotografía de las galaxias vistas en una pequeña zona del cielo se parecerá mucho a otra fotografía de una zona del mismo tamaño de otra parte del cielo. La radiación de fondo es incluso más uniforme, y parece exactamente la misma desde todos los puntos del espacio dentro de una fracción del 1 por ciento. La profundidad de esta observación descansa en el hecho de que no ha pasado el tiempo suficiente desde el Big Bang para que todas las diferentes partes del Universo interactúen unas con otras y deje de ser liso.

Esta homogeneidad está relacionada con otra característica extraña del Universo denominada sub-planitud. La teoría general de la relatividad nos dice que el espacio (en sentido estricto, el espacio-tiempo) se puede curvar y deformar por la presencia de materia. Localmente, cerca de un objeto como el Sol o la Tierra, esta deformación del espacio-tiempo produce el efecto que llamamos gravedad. Cósmicamente, en el espacio entre las estrellas y las galaxias el efecto combinado de toda la materia en el universo puede producir una curva gradual en el espacio en uno de los dos sentidos.

Aquí tendríamos que continuar hablando de la densidad crítica y de la clase de universo que tendríamos en función de la cantidad de materia que este contenga. Sin embargo, dejaremos ese punto del universo cerrado, abierto o plano, ya que, en uno de los comentarios muy recientes de esta colaboración ya quedaron explicados de manera suficiente.

Estudios cada vez más sofisticados de la radiación de fondo, que culminaron con las observaciones hechas por 0or el satélite Watts principios de éste siglo XXI y del Planck Explorer de ESA un poco más tarde, mostraron que el Universo efectivamente está indistinguiblemente cerca de la plenitud, de modo que su densidad debería estar indistinguiblemente cerca de la Densidad crítica. Esto dio lugar al rompecabezas de donde estaba la masa “desaparecida” (esa que llamamos materia oscura que, nunca se ha visto, ni produce radiación, ni sabemos como se hizo, de qué clase de partículas está conformada – si es que son partículas- y, un sin fin de interrogantes más que, ahora no sabemos contestar).

En realidad, la teoría de la inflación es todavía un trabajo en progreso, y, como en el caso de la GUT, existen diferentes variaciones o modelos sobre el tema. Lo que está claro de todo esto es que, no se puede negar, ni el esfuerzo realizado, ni el éxito alcanzado que, sin ser aún lo que se desea, sí es un paso importante en el conocimiento del Cosmos. Ahora sabemos de él muchísimo más que se sabía en los tiempos de Galileo, y, tanto la técnica, como las matemáticas y la física, han desarrollado la Astronomía y la Astrofísica, hasta unos niveles encomiables, teniendo en cuenta que estamos estudiando una cosa muy, muy grande y cuyos objetos están muy, muy lejos.

Sin embargo, podemos obtener imágenes de galaxias lejanas y de nebulosas que se encuentran a miles o millones de años luz de la Tierra y, mediante técnicas del estudio del espectro, saber, de que materiales están formados.

Es aún muy grande el espacio oscuro que tenemos que alumbrar para conocer en plenitud nuestro vasto Universo, son muchas las zonas que están en la penumbra, y, debemos y tenemos la obligación de continuar profundizando en el saber del Universo que nos acoge.

Yo, que soy un simple aficionado, eso sí, muy enamorado del Universo y apasionado de todas las maravillas que encierra que, sin que lo pueda evitar me fascinan, a veces pienso en que, el Universo entero podía haber surgido de una fluctuación cuántica del vacío, gracias a la combinación de inflación y a una curiosa propiedad de la gravedad.

Esta curiosa propiedad de la gravedad es que guarda energía negativa. Cuando algo (¡cualquier cosa!) cae hacia debajo de un campo gravitacional (como el agua que se precipita desde la montaña) la energía es liberada………Pero eso, será otra historia que ya contaremos. Ahora, para no cerrar en falso el comentario, diré que, no existe ningún límite, en principio, en cuanta masa (en sentido estricto masa-energía, teniendo en mente E=mc2) puede tener una fluctuación cuántica, aunque cuanto más masiva sea una fluctuación, menos probable es que suceda.

El cosmólogo americano Ed Tyron señaló que en principio una fluctuación cuántica que contiene la masa-energía de todo el Universo visible podría salir de la nada, y que aunque la masa-energía de tal fluctuación sería enorme, en las circunstancias correctas la energía gravitacional negativa del campo gravitacional asociado a toda esta masa equilibraría perfectamente esto, de modo que la energía total de la fluctuación sería cero.

La implicación, naturalmente, es que nuestro Universo nació (o brotó) de este modo desde el espacio-tiempo de otro universo, y que no hubo principio y no habrá final. Sólo un mar infinito de universos burbujas interconectados (como el propuesto por Stephen Hawking).

Particularmente a mí, no me desagrada ésta idea y la cambio, con los ojos cerrados, por el Big Crunch, que no nos deja ninguna esperanza de continuidad.

emilio silvera

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Los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo.  En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios.  Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (conseguido por muy pocos electrones), era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menor grado.  Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas.  En ese caso, ¿Qué era errónea en la emisión de partículas beta? ¿Qué había sucedido con la energía perdida?

En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y, hacia 1.930, Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas.  En 1.931, Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida.

Tal solución era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida.  Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas.  No poseía carga ni masa.  Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía.  A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y se liberaba un electrón, que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía.  Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de “neutrino”, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.

El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino.  Como ya he comentado en otra página de este trabajo, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiples de una mitad según la dirección del giro.  Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión.

Supongamos que la rotación del neutrón sea +½. Y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de o. Demos ahora al neutrino una rotación de +½, y la balanza quedará equilibrada.

+½(n)=+½(p)-½(e)+½(neutrino)

Pero aun queda algo por equilibrar.  Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y, si incluimos el neutrino, tres partículas.  Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula.  En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

El propio neutrino surgiría de la conversación de un protón en un neutrón.  Así, pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza.

En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.

Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de reacciones nucleares que no impliquen electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas.

Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relaciones con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros.  Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8 % de su energía.  Pero eso, sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación solo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.

Desde que puedo recordar, he sido un amante de la Física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite del máximo que podemos correr en nuestro Universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa cosa tan cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos.  Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible.

Entonces, ¿Qué es realmente la luz?

Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales, grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia.  La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial, dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro.

                                                         Ya se ha tratado de convertir luz en materia

Sin embargo, yo que, desde luego, no soy un experto, opino en cambio que la luz, es simplemente una forma de energía lumínica, otra forma en la que se puede presentar la materia.  Nosotros mismos, en última instancia, somos luz. Lo que confirma tal aseveración es que E = mc² es decirla masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa, así que la luz adopta la forma de energía pudiendo adoptar otra que sería la materia. ¿Qué aún no hemos visto esa transición? Simplemente hay que esperar avances en la Física para ver algunos.

Está claro que, los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal, o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical.  La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell.  No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta e las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma. (Las dos refracciones en la misma dirección se originan por que los dos lados del prisma de se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso en una lámina ordinaria de cristal.)

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada.  Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta, en este orden.

Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma).

Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades.

Le surgieron y se planteó algunas inquietudes cuestiones. ¿Por qué se refractaban las partículas de luz verde más que los de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbase mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés Christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar los diversos difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire.  La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción.   Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda mas corta que la luz azul, ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda.  Y, como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna.  (Las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades.)

Pero la teoría de Huyqhens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos; ni por qué proyectaban sobras recortadas; ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua.  Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿Cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las Estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

El Principio del saber… ¡Es saber que no sabemos!

Un detalle sobre la velocidad de la Luz:

¡POR QU´ÑE NO PODEMOS VIAJAR A LA VELOCIDAD DE LA LUZ EN EL VACÍO?

 

“Según un estudio realizado por el  físico William Edelstein, de la Universidad Johns Hopkins School of Medicine, con el actual nivel de desarrollo tecnológico es imposible. Si una nave alcanzara una velocidad cercana a la velocidad de la luz, los átomos de hidrógeno que impactarían sobre el fuselaje alcanzarían una energía cercana a los 10,000 sievert por segundo. Una dosis mortal para el ser humano es de 6 sievert por segundo. Estos átomos no solo destruirían la nave, sino toda vida en su interior.”

Así que, tendremos que buscar otros medios para viajar a las estrellas.

emilio silvera

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