¡La Imaginación! ¿Dónde estará el límite?

Hemos conseguido grandes logros y enormes conocimientos, cualquiera de ellos es suficiente para causar nuestro asombro. Por ejemplo, matemáticamente, la fuerza eléctrica fue descubierta en el año 1.785 por el ingeniero en estructuras Charles Coulomb. Ahora bien, con relación a las grandes distancias, la fuerza eléctrica y magnética actúa igual a como lo hace la gravedad: al duplicar la distancia, su magnitud disminuye a la cuarta parte.

                                                              Todos los cuerpos con masa se atraen

Claro que la gravedad depende de la masa y la electricidad de la carga y, mientras que la primera sólo es atractiva, la segunda puede ser atractiva cuando los objetos tienen carga diferentes (protón positiva y electrón negativa) o repulsivos cuando las cargas son iguales (protón rechaza a protón y electrón rechaza a electrón); se puede probar jugando con dos imanes que se juntarán por sus polos negativos-positivo y se rechazarán por sus polos positivo-positivo y negativo-negativo.

Más tarde llegó Michael Faraday con sus experimentos eléctricos y magnéticos y, finalmente, James Clerk Maxwell formuló con sus ocho ecuaciones vectoriales la teoría del electromagnetismo.

Las que siguen son algunas de las imágenes generadas para mostrar efectos de la Relatividad Especial (velocidades constantes), desde el punto de vista del viajero.

1- Toma en reposo, que apunta en la dirección del movimiento:

2- El mismo punto de vista, pero viajando al 80% de la velocidad de la luz: la visión se ha ampliado en forma similar a como deforma la imagen un lente “ojo de pez”, objetos que antes estaban detrás del ángulo de visión aparecen por delante.

Al acercarnos a la velocidad de la luz, el mundo toma desde nuestro punto de vista, un aspecto muy raro: todo acaba comprimido en una pequeña ventana circular que está constantemente delante de nosotros. Desde el punto de vista de un observador estacionario (quieto), la luz que nosotros reflejamos se enrojece cuando partimos y se azulea cuando volvemos hacia él.

Si nos desplazáramos hacia ese observador a una velocidad cercana a la de la luz, nos vería envueltos en un fantástico resplandor cromático: nuestra emisión infrarroja, normalmente invisible, se desplazará hacia longitudes de onda más visibles, más cortas. Nos vería comprimidos en la dirección de nuestra trayectoria, nuestra masa aumentará, y el tiempo, la sensación de transcurrir del tiempo que le daríamos, sería de gran lentitud, lo que constituye… la dilatación temporal.

Científicos del National Institute of Standards and Technology (NIST) en Estados Unidos probaron que la dilatación del tiempo –un fenómeno predicho por las teorías de relatividad de Einstein, en las que el tiempo corre más rápido o más lento dependiendo de la velocidad y gravedad del objeto– sucede en el día a día de una persona. El efecto de la dilatación del tiempo es uno de los más famosos en las teorías de Einstein. En la televisión, el ejemplo clásico es el de un grupo de astronautas que es lanzado al espacio casi a la velocidad de la luz, y luego cuando regresan a la Tierra siguen jóvenes, aún cuando en nuestro planeta han pasado muchos años (como en el Planeta de los Simios por ejemplo).

Una parada al margen para aclarar que:

               ¿Se podría viajar a la velocidad de la luz?

“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.”

                       Por el momento creo que, ese viaje queda supeditado a películas de ciencia ficción

El efecto fue planteado por Albert Einstein pero no se probó hasta muchos años después. Una de las demostraciones más famosas ocurrió en 1971, cuando científicos pusieron relojes atómicos en jets comerciales y los hicieron volar alrededor del mundo. Cuando el avión aterrizó, la hora en el reloj del avión y el reloj que estaba en Tierra era distinta. Esto probó que la dilatación del tiempo de veras ocurre. Lo interesante ahora, es que esta dilatación se puede medir en distancias muy pequeñas, con relojes mucho más precisos, en tareas cotidianas.

Lorentz nos descubrió que un objeto que viaje a velocidades cercanas a la de la luz, c, se achatará por la parte delantera del sentido de su marcha (contracción de Lorentz) y, mientras tanto, su masa aumentará (lo que ha sido comprobado en los aceleradores de partículas).

Max Planck nos trajo su cuanto de acción, h, que dio lugar a la mecánica cuántica al descubrir que la energía se transmite en forma discontinua mediante paquetes discretos a los que llamó cuantos. También fue obra de Planck perfeccionar las unidades de Stoney y nos dejó esas cantidades naturales de tiempo, espacio, energía y masa.

Es difícil estimar el alivio que la idea de Schrödinger produjo en la comunidad de la física tradicional. Aunque extraña, su imagen del átomo era, al menos, una imagen y los científicos aman las imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición.

Tomando la idea de De Broglie acerca de la misteriosa onda piloto que transportaba loselectrones alrededor del átomo y la llevó un paso más allá. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describía completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional.

Esta ecuación se llama, hoy en día, la Ecuación de onda de Schrödinger. Es increíblemente poderosa. Y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda (Ψ) que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico.

El éxito de la ecuación, deducida de esta expresión utilizando el principio de correspondencia, fue inmediato por la evaluación de los niveles cuantificados de energía del electrón en el átomo de hidrógeno, pues ello permitía explicar el espectro de emisión del hidrógeno: series de Lyman, Balmer, Bracket, Paschen, Pfund…, y otros.

La interpretación física correcta de la función de onda de Schrödinger fue dada en 1926 por Max Born. En razón del carácter probabilista que se introducía, la mecánica ondulatoria de Schrödinger suscitó inicialmente la desconfianza de algunos físicos de renombre como Albert Einstein,  para quien «Dios no juega a los dados» y del propio Schrödinger.

Schrödinger, con su función de onda (Ψ), nos dijo la manera de solucionar, en parte, el problema planteado por Heisenberg con su principio de incertidumbre, según el cual no podemos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia dónde se dirige; sólo estamos capacitados para saber una de las dos cosas, pero no las dos al mismo tiempo. Así que la función de onda nos dice la probabilidad que tenemos para encontrar esa partícula y en qué lugar se encuentra.

La llegada de Einstein, en 1.905, fue para la física como el elefante que entró en la cacharrería; lo puso todo patas arriba. Los cimientos de la física temblaron con aquellos nuevos y osados conceptos que, en un primer momento, no todos pudieron comprender. Precisamente, Max Planck fue uno de esos pocos privilegiados que, al leer el artículo de Einstein sobre la relatividad especial, comprendió que a partir de ese momento habría que concebir la física bajo la base de otros principios.

Einstein, un desconocido, le decía al mundo científico que la velocidad de la luz en el vació, c, era el límite de la velocidad alcanzable en nuestro universo; nada podía ir más rápido que la luz. Además, decía que el tiempo es relativo y que no transcurre igual para todos. La velocidad del paso del tiempo depende de la velocidad a la que se viaje y de quien sea el observador.

El jefe de estación observa como pasa el tren que viaja a 60 km/h. Puede ver como un niño que viaja con su padre, sentado junto a él, se asoma por la ventanilla y arroja una pelota, en el mismo sentido de la marcha del tren, impulsándola con una fuerza de 20 km/h. Si el que mide la velocidad de la pelota es el jefe de estación, comprobará que ésta va a 80 km/h, los 60 km a los que viaja el tren, más los 20 km a los que el niño lanzó la pelota; ambas velocidades se han sumado.

Sin embargo, si la velocidad de la pelota es medida por el padre del niño que también va viajando en el tren, la velocidad será de 20 km/h, sólo la velocidad de la pelota; no se suma la velocidad del tren, ya que quien mide está montado en él y por lo tanto esta velocidad no cuenta. La velocidad de la pelota será distinta dependiendo de quien la mida, si el observador está en reposo o en movimiento.

De la misma manera, Einstein, en su teoría, nos demostraba que el tiempo transcurre más lentamente si viajamos a velocidades cercanas a las de la luz. Tal afirmación dio lugar a la conocida como paradoja de los gemelos. Resulta que dos hermanos gemelos de 28 años de edad se han preparado, uno para arquitecto y el otro para astronauta. El hermano astronauta se dispone a realizar un viaje de inspección hasta Alfa Centauri y su hermano se queda en la Tierra esperando su regreso.

Cuando por fin el astronauta, que a viajado a 250.000 km/s, regresa a la Tierra, desembarca con una edad de 38 años y es recibido por su hermano gemelo que se quedó en la Tierra y que tiene la edad de 80 años. ¿Cómo es posible eso?

Pues ha sido posible porque el hermano que viajó a velocidades cercanas a la de la luz ralentizó el tiempo que transcurrió más lentamente para él que para su hermano de la Tierra. El astronauta viajó hasta Alfa Centauro a 4’3 años luz de la Tierra, ida y vuelta 8’6 años luz. Pero al viajar tan rápido, muy cerca de la velocidad de la luz, transcurrieron sólo 10 años, mientras que en la Tierra pasaron 52 años.

Aunque parezca increíble, esa es la realidad comprobada.

También Einstein postulaba en su teoría que la masa y la energía eran dos aspectos de una misma cosa; la masa sólo era energía congelada. Para ello formulaba su famosa ecuación E = mc².

Todo el Universo es energía

La estructura interna del átomo

En otro artículo, inspirado por el “cuanto” de Planck, Einstein dejó plasmado lo que desde entonces se conoce como “efecto fotoeléctrico”, demostrando que las partículas unas veces se comportan como tales y otras como una onda. Este trabajo le valió el premio Nobel de Física de 1.923, aunque la mayoría de la gente cree que se lo dieron por su teoría de la relatividad. En verdad, si se considera la importancia de sus trabajos, la Relatividad Especial se merecía un premio Nobel y la Relatividad General de 1.915, se merecía otro.

No fue hasta 1905, cuando Albert Einstein, utilizando la idea de Planck de la cuantización de la energía explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Por este trabajo Einstein recibió el premio Nobel en 1921.

Mientras que Planck utilizó la cuantización de la energía como un truco de cálculo para explicar la radiación del cuerpo negro, Einstein fue más allá e hizo la sugerencia de que la cuantización de la energía es una propiedad fundamental de la energía electromagnética, marcando así los principios de la teoría cuántica.

Einstein supuso que la luz, o cualquier onda electromagnética de frecuencia f, se puede considerar como una corriente de fotones, cada uno de ellos con una energía E. Contradiciendo la física clásica que dice que la energía de la luz está distribuida de modo uniforme sobre el frente de onda, Einstein postula que la energía lumínica se encuentra concentrada en regiones discretas o en paquetes llamados cuantos de luz. De acuerdo con esta explicación, la energía de un haz de luz monocromática llega en porciones de magnitud hf, donde f es la frecuencia de la luz, y h, la constante de Planck.

De todos sus trabajos, el más completo e importante, es el de la relatividad general, de cuya importancia para la física y para la cosmología, aún hoy, cerca de un siglo después, se están recogiendo resultados. Así de profunda, importante y compleja (dentro de su sencillez y belleza) son las ecuaciones de Einstein que un siglo después continua enviando mensajes nuevos de cuestiones de vital importancia. La teoría M también tiene su origen en la relatividad general que curva el espacio y distorsiona el tiempo en presencia de grandes masas, haciendo posible la existencia de agujeros negros y agujeros de gusano que según algunos, serán la posible puerta para viajar a otros universos y a otro tiempo.

Es necesario que los científicos piensen en estas cosas para solucionar los problemas del futuro y cuándo llegue el momento, salir de las encrucijadas a las que, irremediablemente, estamos destinados.

La gente corriente no piensa en estas cuestiones; su preocupación es más cercana y cotidiana, la hipoteca del piso o los estudios de los niños y, en la mayoría de los casos, lo “importante es el fútbol” para evadirse dicen algunos. Es una lástima, pero así son las cosas. No se paran ni a pensar cómo se forma una estrella, de qué está hecha y por qué brilla. Nuestro Sol, por ejemplo, es una estrella mediana, amarilla, del Grupo G-2, ordinaria, que básicamente consume hidrógeno y como en el Big Bang original, lo fusiona en helio. Sin embargo, puesto que los protones en el hidrógeno pesan más que en el helio, existe un exceso de masa que se transforma en energía mediante la fórmula de Einstein E = mc². Esta energía es la que mantiene unidos los núcleos. Esta es también la energía liberada cuando el hidrógeno se fusiona para crear helio. Esta, al fin, es la razón de que brille el Sol.

Todos somos uno, y, sin embargo, diferentes. No sabemos mediante qué mecanismos llegan a nuestros cerebros esas ráfagas luminosas del saber que, a unos les hace comprender ciertas cuestiones complejas y, a otros no nos llegan esos fogonazos de luz que alumbren los rincones oscuros existentes en nuestras mentes. Así, para unos es el futbol y para otros las estrellas su mayor preocupación.

Ya hemos comentado alguna vez que los elementos complejos se forman en las estrellas que, desde el hidrógeno, helio, litio, berilio, carbono, neón…, hasta el uranio, sin las estrellas no existirían… y nosotros tampoco, ya que nuestra forma de vida está basada en el carbono, un material que tiene su origen en las estrellas y que, al ser de una asombrosa adaptabilidad, hace posible la formación del material necesario para la vida.

Aunque, ¿Quién sabe las formas de vida que en el Universo pueden estar presentes? Algunos pudieran ser gigantes de gas, criaturas inteligentes que evolucionan en atmósferas inhóspitas para la vida basada en el carbono, tal vez seres burbuja de gas en Júpiter, cerca de etéreas formas que ni podemos imaginar.

Otros podrían ser viajeros que circulan por el universo cruzando agujeros de gusano, atajos dimensionales para abarcar el cosmos y sembrar su conciencia en diversos sitios de este gran ser holográfico que creemos conocer y, del que, en realidad, sabemos tan poco.

Sigue en la segunda parte.

emilio silvera

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