Hablemos de Física II

Lorentz presentó una ecuación sobre el acrecentamiento de la masa, que resultó muy similar a la ecuación FitzGerald sobre el acortamiento. A 149.637 kilómetros por segundo, la masa de un electrón aumentaría en un 15%; a 262.000 km/seg., en un 100% (es decir, la masa se duplicaría); y a la velocidad de la luz, su masa sería infinita.  Una vez más pareció que no podría haber ninguna velocidad superior a la de la luz, pues, ¿cómo podría ser una masa mayor que infinita?

El efecto FitzGerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas como las “ecuaciones Lorentz-FitzGerald.”

Mientras que la contracción FitzGerald no podía ser objeto de mediciones, el efecto Lorentz sobre masas si podía serlo…, aunque indirectamente. De hecho, el muón, tomó 10 veces su masa original cuando fue lanzado, a velocidades relativistas, en el acelerador de partículas, lo que confirmó la ecuación de Lorentz.

Los experimentos posteriores, han confirmado las ecuaciones de ambos: a velocidades relativistas, las longitudes se contraen y las masas se incrementan.

Como es conocido por todos, Einstein adoptó estos descubrimientos y los incorporó a su teoría de la relatividad especial que, aunque mucho más amplia, recoge la contracción de FitzGerald y el aumento de la masa de Lorentz cuando se alcanzan grandes velocidades.

¡Qué cosas!

Algunas veces pienso que, los artistas en general, y los poetas en particular, tendrían que adaptar e incluir a sus esquemas artísticos y poéticos, los adelantos científicos, para asimilarlos en las diversas expresiones y sentimientos que serán después puestos al servicio del consumo humano.

Estos adelantos científicos serían así coloreados con las pasiones humanas y transformadas, de alguna forma, en la sangre, y por qué no, los sentimientos de la naturaleza humana.

Posiblemente, de haberlo hecho así, el grado general de conocimiento sería mayor.

Sólo uno de cada tres puede definir una molécula o nombrar a un solo científico vivo.  De veinticinco licenciados escogidos al arar en la ceremonia de graduación en Harvard, sólo dos pudieron explicar por qué hace más calor en verano que en invierno.  La respuesta, dicho sea de paso, no es “porque el Sol está más cerca.” No está más cerca. El eje de rotación de la Tierra está inclinado, así que cuando el hemisferio norte se inclina hacia el Sol, los rayos son más perpendiculares a la superficie, y la mitad del globo disfruta del verano. Al otro hemisferio llegan rayos oblicuos: es invierno.

Es triste ver como aquellos graduados de Harvard podían ser tan ignorantes. ¡Aquí los tenemos con faltas de ortografía!

Por supuesto, hay momentos brillantes en los que la gente se sorprende. Hace años, en una línea de metro de Manhattan, un hombre mayor se las veía y deseaba con un problema de cálculo elemental de su libro de texto de la escuela nocturna; no hacía más que resoplar. Se volvió desesperado hacia el extraño que tenía a su lado, sentado junto a él, y le preguntó si sabía cálculo. El extraño afirmó con la cabeza y se puso a resolverle al hombre el problema. Claro que no todos los días un anciano estudia cálculo en el metro al lado del físico teórico ganador del Nóbel T.D.Lee.

Leon Lederman, cuenta una anécdota parecida en el tren, pero con final diferente. Salía de Chicago en un tren de cercanías cuando una enfermera subió a el a la cabeza de un grupo de pacientes de un Hospital psiquiátrico Local. Se colocaron a su alrededor y la enfermera se puso a contarlos: “Uno, dos, tres…” Se quedó mirando a Lederman y preguntó: “¿Quién es usted?”. “Soy León Lederman -respondió-, ganador del premio Nóbel y director del Fermilab.”

Lo señaló, y siguió tristemente: “Sí, cuatro, cinco, seis…”

Son cosas que ocurren a los humanos. ¡Tan insignificantes y tan grandes!

Somos capaces de lo mejor y de lo peor.

Ahí tenemos la Historia para ver los ejemplos de ello.

Pero, ahora más en serio, es necesario preocuparse por la incultura científica reinante, entre otras muchas razones porque la ciencia, la técnica y el bienestar público están cada día más conectados.   Y, además, es una verdadera pena perderse la concepción del mundo que, en parte, he plasmado en estas páginas. Aunque parezca incompleta, se puede vislumbrar que posee grandiosidad y belleza, y va asomándose ya su simplicidad.

El proceso de la ciencia es el descubrimiento a cada paso de un nuevo orden que dé unidad a lo que desde hacía tiempo parecía desunido.

Es lo que hizo Faraday cuando cerró el vínculo que unió la electricidad y el magnetismo.

Es lo que hizo Clerk Maxwell cuando unió aquélla y éste con la luz.

Einstein unió el tiempo al espacio, la masa a la energía y relacionó las grandes masas cosmológicas con la curvatura y la distorsión del tiempo y del espacio para traernos la Gravedad en una teoría moderna; y dedicó los últimos años de su vida al intento de añadir a estas similitudes otra nueva y más avanzada, que instaurara un orden nuevo e imaginativo entre las ecuaciones de Maxwell y su propia geometría de la Gravitación.

Cuando Coleridge intentaba definir la belleza, volvía siempre a un pensamiento profundo: la belleza, decía, es “la unidad de la variedad.”

La ciencia no es otra cosa que la empresa de descubrir la unidad en la variedad desaforada de la naturaleza, o, más exactamente, en la variedad de nuestra experiencia que está limitada por nuestra ignorancia.

Hay muchas cosas que no podemos controlar, sin embargo, algo dentro de nosotros, nos envía mensajes sobre lo que podría ser importante para que nos fijemos mejor y continuemos profundizando.

Para comprender mejor el panorama, hagamos una excursión hasta la astrofísica; hay que explicar por qué la física de partículas y la astrofísica se han fundido no hace muchos años, en un nivel nuevo de intimidad, al que alguien llamó la conexión espacio interior/espacio exterior.

Mientras los expertos del espacio interior construían aceleradores-microscopios cada vez más potentes para ver que pasaba en el dominio subnuclear, los colegas del espacio exterior sintetizaban los datos que tomaban unos telescopios cada vez más potentes, equipados con nuevas técnicas cuyo objeto era aumentar su sensibilidad y la capacidad de ver detalles finos. Otro gran avance fueron los observatorios establecidos en el espacio, con sus instrumentos para detectar infrarrojos, ultravioletas, rayos x y rayos gamma; en pocas palabras, toda la extensión del espectro electromagnético, muy buena parte del cual era bloqueado por nuestra atmósfera opaca y distorsionadota.

La síntesis de la cosmología de los últimos cien años es el “modelo cosmológico estándar.”  Sostiene que el Universo empezó en forma de un estado caliente, denso, compacto hace unos 15.000 millones de años. El Universo era entonces infinitamente, o casi infinitamente, denso, infinitamente, o casi infinitamente, caliente. La descripción “infinito” es incómoda para los físicos; los modificadores son el resultado de la influencia difuminadora de la teoría cuántica. Por razones que quizá no conozcamos nunca, el Universo estalló, y desde entonces ha estado expandiéndose y enfriándose.

Ahora bien, ¿cómo se han enterado de eso los cosmólogos? El modelo de la Gran Explosión (big bang) nació en los años treinta tras el descubrimiento de que las Galaxias (conjuntos de 100.000 millones de estrellas más o menos) se estaban separando entre sí, descubrimiento hecho por Edwin Hubble, que andaba midiendo sus velocidades en 1.929.

Hubble tenía que recoger de las galaxias lejanas una cantidad de luz que le permitiera resolver las líneas espectrales y compararlas con las líneas de los mismos elementos en la tierra. Cayó en la cuenta de que todas las líneas se desplazaban sistemáticamente hacia el rojo. Se sabía que una fuente de luz que se aparta de un observador hace justo eso. El “desplazamiento hacia el rojo” era, de hecho, una medida de la velocidad relativa de la fuente y del observador.

Mas tarde, Hubble halló que las galaxias se alejaban de él en todas las direcciones. Hubble se duchaba regularmente, no había nada personal en esto; era sólo una manifestación de la expansión del espacio. Como el espacio expande las distancias entre todas las Galaxias, la astrónoma Hedwina  knubble, que observase desde el planeta Penumbrio en Andrómeda, vería el mismo efecto o fenómeno: las galaxias se apartarían de ella.

Cuanto más distante sea el objeto, más deprisa se mueve. Esta es la esencia de la ley de Hubble. Su consecuencia es que, si se proyecta la película hacia atrás, las galaxias más lejanas, que se mueven más deprisa, se acercarán a los objetos más próximos, y todo el lío acabará juntándose y se acumulará en un volumen muy, muy pequeño, como, según se calcula actualmente, ocurría hace 15.000 millones de años.

La más famosa de las metáforas científicas te pide que imagines que eres una criatura bidimensional, un habitante del Plano. Conoces el este y el oeste, y el norte y el sur, pero arriba y abajo no existen. Sacaos el arriba y el debajo de vuestras mentes. Vivís en la superficie de un globo que se expande. Por toda la superficie hay residencias de observadores, planetas y estrellas que se acumulan en galaxias por toda la esfera. Todo bidimensional.  Desde cualquier atalaya, todos los objetos se apartan a medida que la superficie se expande sin cesar. La distancia entre dos puntos cualesquiera de este universo crece. Eso es lo que pasa, precisamente, en nuestro mundo tridimensional. La otra virtud de esta metáfora es que, en nuestro universo, no hay ningún lugar especial. Todos los sitios o puntos de la superficie son democráticamente iguales a todos los demás. No hay centro. No hay borde. No hay peligro de caerse del Universo.

Como nuestra metáfora del universo en expansión (la superficie del Globo) es lo único que conocemos, no es que las estrellas se precipiten dentro del espacio. Lo que se expande es el espacio que lleva toda la barahúnda. No es fácil visualizar una expansión que ocurre en todo el Universo. No hay un exterior, no hay un interior. Sólo hay este Universo, que se expande. ¿En qué se expande? Pensad otra vez en vuestra vida como habitante del Plano, de la superficie del globo.  En nuestra metáfora no existe nada más que la superficie.

Dos consecuencias adicionales de gran importancia que tiene la teoría del big bang acabaron por acallar la oposición, y ahora reina un considerable consenso.  Una es la predicción de que la luz de la incandescencia original (presuponiendo que fue muy caliente) todavía está a nuestro alrededor, en forma de radiación remanente.  Recordad que la luz está constituida por fotones, y que la energía de los fotones está en relación inversa con la longitud de onda. Una consecuencia de la expansión del Universo es que todas las longitudes se expanden.

Se predijo, pues, que las longitudes de onda, originalmente infinitesimales, como correspondía a unos fotones de gran energía, han crecido hasta pertenercer ahora la región de las microondas, en la que las longitudes son unos pocos milímetros.

En 1.965 se descubrieron los rescoldos del big bang, es decir, la radiación de fondo de microondas.  Esos fotones bañan el Universo entero, y se mueven en todas las direcciones posibles.  Los fotones que emprendieron viaje hacen miles de millones de años cuando el Universo era más pequeño y caliente, fueron descubiertos por una antena de los laboratorios Bell en Nueva Jersey.

Así que el descubrimiento hizo imprescindible medir la distribución de las longitudes de onda, y se hizo. Por medio de la ecuación de Planck, esta medición de la temperatura media de lo que quiera (el espacio, las estrellas, polvo, un satélite, los positivos de un satélite que se hubiese colado ocasionalmente) que haya estado bañándose en esos fotones.

Las mediciones últimas efectuadas por la NASA con el satélite COBE, dieron un resultado de 2’73 grados sobre el cero absoluto (2’73°k).  Esta radiación remanente es una prueba muy potente a favor de la teoría del big bang caliente.

Los astrofísicos pueden hablar tan categóricamente porque han calculado qué distancias separaban a dos regiones del cielo en e momento en que se emitió la radiación de microondas observada por el COBE. Ese momento ocurrió 300.000 años después del Big Bang, no tan pronto como sería de desear, pero sí lo más cerca del principio que podemos.

Resulta que temperaturas iguales en regiones separadas del espacio que nunca habían estado en contacto y cuyas separaciones eran tan grandes que ni siquiera a la velocidad de la luz daba tiempo para que las dos regiones se comunicasen y, sin embargo, si tenían la misma temperatura.  La teoría del big bang no podía explicarlo. ¿Un fallo? ¿Un milagro? Se dio en llamar a eso la crisis de la causalidad, o de la isotropía.

De la causalidad porque parecía que había una conexión causal ente distintas regiones del cielo que nunca debieran haber estado en contacto; de la isotropía porque donde quiera que mires a gran escala verás prácticamente el mismo patrón de estrellas, galaxias, cúmulos y polvo estelar.  Se podría sobrellevar esto en un modelo del big bang diciendo que la similitud de los miles de millones de piezas del Universo que nunca estuvieron en contacto es puro accidente. Pero no nos gustan los “accidentes”. Los milagros están estupendamente si jugamos a la lotería, pero no en la ciencia. Cuando se ve uno, los científicos sospechan que algo más importante se mueve entre bastidores. Me parece que mi inclinación científica me hace poco receptivo a los milagros. Si algo pasa habrá que buscar la causa.

El segundo éxito de gran importancia del modelo de big bang tiene que ver con la composición de nuestro Universo.  Puede parecer que el mundo está hecho de aire, tierra, agua y fuego. Pero si echamos un vistazo arriba y medimos con nuestros telescopios espectroscópicos, apenas si encontraremos algo más que hidrógeno, y luego helio. Entre ambos suman el 98 por 100 del universo que podemos ver. El resto se compone de los otros noventa elementos. Sabemos gracias a nuestros telescopios espectroscópicos las cantidades relativas de los elementos ligeros, y hete aquí que los teóricos del big bang dicen que esas abundancias son precisamente las que cabría esperar.

emilio silvera

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