Archivo de la categoría "Física Relativista"
Jul
20
Estos son los hipotéticos agujeros de gusano que nos podrían llevar a lugares lejanos del nuestro en poco tiempo y burlando la velocidad de la luz que nuestro Universo impone como límite para viajar por el espacio en una nave espacial y que, sin embargo, tal imposibilidad se podría esquivar si estos extraños túneles pudieran hacerse realidad algún día para permitirnos desplazarnos por el inmenso espacio que, de otra manera, se nos haría difícil de dominar.
Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que sucesos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.
El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio tridimensional (Euclides), y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el nombre de línea de universo. La relatividad general nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.
Los modelos de universo que pudieran ser en función de la Densidad Crítica (Ω) sería plano, abierto o cerrado. La Materia tiene la palabra para determinar finalmente en qué clase de universo estamos. Es la materia la que determina, en realidad, la curvatura del espacio y la distorsión del tiempo conforme a su densidad.
La curvatura del espacio–tiempo es la propiedad del espacio–tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio–tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el universo, y nos dice que el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o galaxias (entre otros).
En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es, en esencia, lo que ocurre en relatividad general.
El Universo será el que determine la materia que contiene
Los Modelos Cosmológicos son variados y todos, sin excepción, nos hablan de una clase de universo que está conformado en función de la materia que en él pueda existir, es decir, eso que los cosmólogos llaman el Omega negro. La Materia determinará en qué universo estamos.
“Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker. Este modelo fue desarrollado principalmente por Alexander Friedman (1922-1924), pero posteriormente y de manera independiente otros físicos como Georges Lemaître (1927), Howard Percy Robertson y Arthur Geoffrey Walker (1935), quienes ampliaron conceptos dentro de ella. Esta modelo supone un universo homogéneo e isótropo, es decir, un universo de densidad de materia constante. En sí mismo es una aproximación útil para poder deducir la forma del universo y tratar de manera sencilla la cosmología, siendo por ello esta métrica la base de la teoría del Big Bang.”
Ecuación de Friedman
“Además de la densidad y la constante de gravitación G, la ecuación contiene el
parámetro de Hubble H, un parámetro de escala R, y un factor k que se llama
parámetro de curvatura. El parámetro de curvatura indica si el universo es abierto o cerrado. Las ecuaciones anteriores no especifican la naturaleza de la densidad ρ. No incluyen las posibles interacciones de partículas que no sean la atracción gravitatoria. Tales interacciones de partículas como las colisiones, podrían especificarse en términos de presión, por lo que al modelo anterior se le refiere a veces como un universo “sin presión”. Las versiones más detalladas de la ecuación de Friedman incluyen tales efectos.”
En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedmann, la curvatura de espacio–tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson–Walker. Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio–tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto. Un universo de Einstein–de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.
La geometría del espacio-tiempo en estos modelos de universos está descrita por la métrica de Robertson-Walker y es, en los ejemplos precedentes, curvado negativamente, curvado positivamente y plano, respectivamente (Alexander AlexandrovichFriedmann). Y, las tres representaciones gráficas de los espacios que dan lugar a los tres posibles formas de universo antes referida en función de la densidad crítica que hará un universo plano, un universo abierto o un universo curvo y cerrado.
No dejan de sacar punta al “lápiz” de la relatividad de Einstein buscándole fallos y contradicciones. Lo cierto es que un muón que viajó en el LHC a velocidades relativistas, aumentó su masa muchas veces y, también se ha comprobado que el tiempo se ralentiza cuando la velocidad se acerca a la de la luz. Ningún cuerpo humano podría soportar tal velocidad y, el ejemplo no parece que sea el más adecuado para contradecir la teoría.
Hemos mencionado antes la relatividad del tiempo que para el mismo suceso será distinto en función de quién sea el que cronometre; por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio para el astronauta que en nave espacial viaja a velocidades próximas a c, la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, en el caso antes señalado, el tiempo del astronauta viajero avanza más lentamente en un factor que denotamos con la ecuación , cuando lo mide un sistema de referencia que viaja a una velocidad v relativa al otro sistema de referencia; c es la velocidad de la luz. Este principio ha sido verificado de muchas maneras; por ejemplo, comparando las vidas medias de los muones rápidos, que aumentan con la velocidad de las partículas en una cantidad predicha en este factor de la anterior ecuación.
Esto sólo se representa como ejemplo de lo que pasaría si tal viaje fuera posible
Un ejemplo sencillo de la dilatación del tiempo es la conocida paradoja de los gemelos. Uno viaja al espacio y el otro lo espera en la Tierra. El primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa. Cuando baja de la nave espacial, tiene 8’6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, al regreso de su hermano, era ya un anciano jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero. Parece mentira que la velocidad con la que podamos movernos nos puedan jugar estas malas pasadas.
Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E = mc2, que nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.
Durante diez días del mes de enero de 1999 astrofísicos italianos y estadounidenses efectuaron un experimento que llamaron Boomerang. El experimento consistió en el lanzamiento de un globo con instrumentos que realizó el mapa mas detallado y preciso del fondo de radiación de microondas (CMB) obtenido hasta el momento. Su conclusión: el universo no posee curvatura positiva o negativa, es plano.
La densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión de nuestro universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10-29 g/cm3, es descrito por el modelo al que antes nos referimos conocido como de Einstein–de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos.
La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.
Se ha llegado a dar la noticia y a que esta sea publicada, en relación a unos hipotéticos “filamentos de materia oscura” descubiertos entre galaxias pero, a pesar de las declaraciones de los autores…:
“Los cúmulos de galaxias atraen constantemente a nuevas galaxias y grupos de galaxias a lo largo de los filamentos de materia oscura, como si fuesen ‘carreteras galácticas’. Por lo tanto, los filamentos son fundamentales en el crecimiento de la estructura del universo, desde las estructuras más jóvenes hasta la actualidad”
Particularmente dejo la noticia en cuarentena y espero otras versiones más contrastadas y creíbles de que la materia oscura está ahí fuera, en el espacio.
Si no emite radiación, si es transparente (o invisible), su no sabemos de qué partículas está hecha, si le adjudicamos la propiedad de que emite Gravedad, si no la podemos captar con nuestros aparatos tecnológicos… ¿No estamos hablando de conjeturas?
Mencionamos ya la importancia que tiene para diseñar un modelo satisfactorio del universo, conocer el valor de la masa total de materia que existe en el espacio. El valor de la expansión o de la contracción del universo depende de su contenido de materia. Si la masa resulta mayor que cierta cantidad, denominada densidad crítica, las fuerzas gravitatorias primero amortiguarán y luego detendrán eventualmente la expansión. El universo se comprimirá en sí mismo hasta alcanzar un estado compacto y reiniciará, tal vez, un nuevo ciclo de expansión. En cambio, si el universo tiene una masa menor que ese valor, se expandirá para siempre. Y, en todo esto, mucho tendrá que decir “la materia oscura” que al parecer está oculta en alguna parte.
Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm3), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10-29 g/cm3, o 10-5 átomos/cm3, ya que el universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las galaxias. La densidad media es la que determinará si el universo se expandirá o no para siempre.
No dejamos de enviar ingenios al espacio para tratar de medir la Densidad Crítica y poder saber en qué clase de universo nos encontramos: Plano, cerrado o abierto.
En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).
Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. En la imagen se quiere representar tal efecto.
En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.
Todo está cohesionado por la fuerza de Gravedad que general los cuerpos y la materia
Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.
Un sistema solar en el que los planetas aparecen cohexionados alrededor del cuerpo mayor, la estrella. Todos permanecen unidos gracias a la fuerza de Gravedad que actúa y los sitúa a las adecuadas distancias en función de la masa de cada uno de los cuerpos planetarios.
No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 1040 veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.
La imaginación no tiene límites y ha ideado escudos de energía para personas y naves
No pocas veces hemos querido utilizar la fuerza electromagnética para crear escudos a nuestro alrededor, o, también de las naves viajeras, para evitar peligros exteriores o ataques. Es cierto que, habiéndole obtenido muchas aplicaciones a esta fuerza, aún nos queda mucho por investigar y descubrir para obtener su pleno rendimiento.
La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.
Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces. Un microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés, o MET, en español) es un microscopio que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto, debido a que la potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la luz visible.
Para saber dónde se encuentra una partícula hay que iluminarla. Pero no se puede utilizar cualquier tipo de luz: hay que usar luz cuya longitud de onda sea por lo menos, inferior a la partícula que se desea iluminar. Pero sucede que cuanto más corta es la longitud de onda, más elevada es la frecuencia, de modo que esa luz transporta una muy elevada energía. Al incidir sobre la partícula ésta resulta fuertemente afectada.
El científico puede finalmente averiguar donde esta la partícula, pero a cambio de perder toda información acerca de su velocidad. Y a la inversa, si consigue calcular la velocidad, debe renunciar a conocer su posición exacta.
Es el Principio de Indeterminación de Heisenberg el que nos dijo que nunca podríamos saberlo todo al mismo tiempo. Si sabemos una cosa no podemos saber la otra. En el Universo y en todo lo que nos rodea existe ese principio de Incertidumbre que nos deja “ver” algo y nos oculta mucho más de lo que alcanzamos a ver.
Por muy atentamente que fijemos la mirada en el Universo… ¡Hay tanto que se nos escapa!
Existen en el Universo configuraciones de fuerzas y energías que aún no podemos comprender. La vastedad de un Universo que tiene un radio de 13.700 millones de años, nos debe hacer pensar que, en esos espacios inmensos existen infinidad de cosas y se producen multitud de fenómenos que escapan a nuestro entendimiento.
Son fuerzas descomunales que, como las que puedan emitir agujeros negros gigantes, estrellas de neutrones magnetars y explosiones de estrellas masivas en supernovas que, estando situadas a miles de millones de años luz de nuestro ámbito local, nos imposibilita para la observación y el estudio a fondo y sin fisuras, y, a pesar de los buenos instrumentos que tenemos hoy, siguen siendo insuficientes para poder “ver” todo lo que ahí fuera sucede, grandes emisiones de Ultravioleta en estrellas enanas blancas, i, de rayos gamma en explosiones lejanas.
¡El Universo! Todo lo que existe.
emilio silvera
Dic
14
Velocidad de la luz desde la Tierra a la Luna
Un suceso en un cono de luz temporal
Algunos creen que desde que Einstein sacó a la luz su relatividad especial, las leyes de Newton habían quedado olvidadas en un cuarto oscuro y, nada más lejos de la realidad. La física newtoniana siguen utilizándose ampliamente en la vida cotidiana, en la mayoría de los campos de la ciencia y en la mayor parte de la tecnología. No prestamos atención a la dilatación del tiempo cuando hacemos un viaje en avión, y los ingenieros no se preocupan por la contracción de la longitud cuando diseña la nave. La dilatación y la contracción son demasiado pequeñas para que sean tomadas en consideración.
Por supuesto, podríamos utilizar, si quisiéramos, las leyes de Einstein en lugar de las leyes de Newton en la vida de cada día. Las dos dan casi exactamente las mismas predicciones para todos los efectos físicos, puesto que la vida diaria implica velocidades relativas que son muy pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.
Las predicciones de Einstein y Newton comienzan a diferir fuertemente sólo cuando las velocidades relativasd se aproximan a la velocidad de la luz, Entonces, y sólo entonces debemos abandonar las predicciones de Newton y atenernos estrictamente a las de Einstein. Este es un ejemplo de una pauta muy general. Es una pauta que se ha repetido una y otra vez a lo largo de la historia de la física del siglo XX: un conjunto de leyes (en este caso las leyes newtonianas) es ampliamente aceptado al principio, porque concuerda muy bien con el experimento.
Pero los experimentos cada vez se hacen más precisos y este conjunto de leyes resultan funcionar bien sólo en un dominio limitado, su dominio de validez (para las leyes de Newton) el dominio de velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz en el vacío. Entonces los físicos se esfuerzan, experimental y teóricamente, para comprender qué está pasando en el límite de dicho dominio de validez, finalmente formulan un nuevo conjunto de leyes que es muy acertado dentro, cerca y más allá del límite (en el caso de Newton, la relatividad especial de Einstein, que sí es válida a velocidades próximas a las de la luz tanto como a más bajas velocidades.
La Gravedad se deja sentir por todo el espacio “infinito”
Hoy día, el mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales, la realtividad general y la mecánica cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente. Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría del quántum estan incuestionablemente apoyados por rigurosa y repetida evidencia empírica. Sin embargo, ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.
Nuevas maneras de sondear la Naturaleza y desvelar sus secretos están en marcha y, más adelante en el futuro, saldrán a la luz nuevas formas y nuevas teorías que, para entonces, sí que se podrán comprobar de manera experimental. Pero sigamos con la relatividad de Einstein que, en su primera fase, la relatividad especial comienza a fracasar cuando se hace presente la Gravedad de una manera importante, entonces, tiene que ser reemplazada por un nuevo conjunto de leyes que llamamos relatividad general; ésta fracasa en presencia de una singularidad interna de un agujero negro y, entonces, debe ser reemplazada por otro nuevo conjunto de leyes que conocemos como Gravedad Cuántica y que aún, no hemos podido dominar.
Einstein nos decía que el espacio se curva en presencia de grandes masas que modelan su geometría
Lo cierto que es que, se ha dado una característica sorprendente en cada transición de un viejo conjunto de leyes a otro nuevo: en cada caso, los físicos (si demostraban ser suficientemente inteligentes) no necesitaban ninguna guía experimental que les dijera dónde empezaría a fallar el viejo conjunto, es decir, que les indicara el límite de su dominio de validez. Ya hemos podido ver eso para la física newtoniana: las leyes de la electrodinámica de Maxwell no encajaban bien con el espacio absoluto de la física newtoniana. En reposo en el espacio absoluto (en aquel sistema del éter), las leyes de Maxwell eran simples y bellas -por ejemplo, las lineas de campo magnético no tienen extremo. En los sistemas en movimiento se vuelven complicadas y feas, las lineas de campo magnético tienen a veces extremos. Sin embargo, las complicaciones tienen una influencia despreciable sobre el resultado de los experimentos cuando los sistmas se mueven., con relación al espacio absoluto, a velocidades pequeñas comparadas con la de la luz; entonces casi ninguna linea de campo tiene extremos. Sólo a velocidades que se aproximan a la de la luz era previsible que las feas complicaciones tuvieran una influencia suficientemente grande como para ser medidas con facilidad: montones de extremos. De este modo, era razonable sospechar, incluso en ausencia del experimento de Michelson-Morley, que el dominio de validez de la física newtoniana podría ser el de las velocidades pequeñas comparadas con la de la Luz, y que las leyes newtonianas podrían venirse abajo a velocidades cercanas a la de la luz.
El LHC es un esfuerzo internacional, donde participan alrededor de siete mil físicos de 80 países. Consta de un túnel en forma de anillo, con dimensiones interiores parecidas a las del metro subterráneo de la Ciudad de México, y una circunferencia de 27 kilómetros. Está ubicado entre las fronteras de Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, a profundidades que van entre los 60 y los 120 metros debido a que una parte se encuentra bajo las montañas del Jura.
Claro que, hablando de lo que nos ocupa, al contemplar la secuencia anterior de conjuntos de leyes (física newtoniana, relativista especial, relativista general, ¿gravedad cuántica?), y una secuencia similar de leyes que gobiernan la estructura de la materia y las partículas elementales, la mayoría de los físicos tienden a creer que estas secuencias están convergiendo hacia un conjunto de leyes últimas que verdaderamente gobiernan el Universo, leyes que obligan al Universo a mostrarse como es y comportarse como nosotros vemos que lo hace, que obligan a la lluvia a condensarse en las cristaleras de las ventanas, obliga al Sol a quemar combustible nuclear para convertir lo elemental y sencillo en más complejo que, más tarde tendrá su función determinada, obliga a los agujeros negros a producir ondas gravitatorias cuando colisionan entre ellos, a que las estrellas masivas, al final de sus vidas exploten como supernovas para formar hermosas Nebulosas y conformar nuevos objetos masivos como púlsares, estrellas de neutrones y agujeros negros… Y, por eso…
¡La Gravedad! Siempre está presente e incide en los comportamientos de la materia
Todo esto ha podido ser comprendido con el paso del tiempo y a medida que se sumaban los descubrimientos y los pensamientos de unos y otros, y, por ejemplo, Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde una energía L, su masa disminuye en L/c2. Einstein generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con la ecuación m=E/c2 ( o la más popular E=mc2).
Otras de las conclusiones de la teoría de Einstein en su modelo especial, está en el hecho de que para quien viaje a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), el tiempo transcurrirá más lento. Dicha afirmación también ha sido experimentalmente comprobada.
Todos estos conceptos, por nuevos y revolucionarios, no fueron aceptados por las buenas y en un primer momento, algunos físicos no estaban preparados para comprender cambios tan radicales que barrían de un plumazo, conceptos largamente arraigados.
Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas
Claro que, podríamos objetar que, cada conjunto de leyes en la secuencia “tiene un aspecto” muy diferente del conjunto precedente. (Por ejemplo, el tiempo absoluto de la física newtoniana tiene un aspecto muy diferente de los muchos flujos de tiempos diferentes de la relatividad especial.) ¿Por qué, entonces, deberíamos esperar una convergencia? La respuesta es que hay que distinguir claramente entre las predicciones hechas a partir de un conjunto de leyes y las imágenes mentales que las leyes transmiten (lo que las leyes “aparentan”). Yo espero la convergencia en términos de predicciones, pero esto es todo lo que finalmente cuenta. Las Imágenes mentales (un tiempo absoluto en la Física newtoniana frente a los muchos flujos de tiempo en la física relativista) no son importantes para la naturaleza última de la realidad.
Todo ha tenido siempre una explicación aunque no supiéramos darla
Se podría objetar que cada conjunto de leyes en la secuencia, tiene su propio su aspecto y que, no tienen porque converger. El mismo conjunto de leyes de Newton tiene un aspecto muy diferente de los muchos flujos de tiempos diferentes de la relatividad especial. En los aspectos de las leyes no existe ningún tipo de convergencia y, desde luego, las características de cada conjunto de leyes, aunque sean diferentes, no son importantes esas diferencias para el resulta último final de la realidad última a la que la Naturaleza quiere llegar.
Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espacio-temporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia del agujero negro.
En cuanto a la distorsión del espacio y el tiempo, tenemos que Hermann Minkowski unificaba el espacio y el Tiempo y Einstein lo distorsionaba.
“Las ideas de espacio u tiempo que deseo exponer ante ustedes han brotado del suelo de la física experimental, y en ello reside su fuerza. Son radicales. En lo referente al espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo, están condenados a desvanecerse en meras sombras, y sólo un tipo de unión de ambos conservará una realidad independiente: ¡El Espaciotiempo!”
Con esas palabras proféticas Minkowski reveló al mundo, en septiembre de 1908, un nuevo descubrimiento sobre la naturaleza del espacio y el tiempo. Einstein había demostrado que el espacio u el tiempo eran “relativos”. La longitud de un objeto y el flujo del tiempo eran diferentes cuando se miran desde diferentes sistemas de referencia.
Minkouski comprendió, de manera perfecta, la profundidad y el verdadero mendaje que la teoría de Eisntein llevaba consigo y, habiéndola entendido a la pefección, le expuso al mundo el nacimiento del espaciotiempo: Ambos, Tiempo y Espacio conformados como un todo.
Hay una historia (adaptada de Taylor y Wheeler (1992) que ilusta la idea subyacente al descubrimiento de Minkowski pero, la dejaré para otra ocasión. El tema de las leyes de Newton, las dos versiones relativistas y la no hallada gravedad cuántica, nos daría para glunos abultados tomos que, no pueden ser escritos aquí
emilio silvera
Nov
15
¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?
Fotones que salen disparados a la velocidad de c. ¿Qué podría seguirlos?
Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.
Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc2.) Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.
En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increíblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).
No un pulsar tampoco puede ser más rápido que la luz
La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:
- En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
- En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.
La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).
Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, prácticamente toda la energía se incorpora a él en forma de velocidad: se moverá más aprisa sin cambiar su masa.
A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energía de manera constante) es cada vez menor la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana más masa a un ritmo ligeramente mayor.
En gracia quizás podamos superarla pero, en velocidad…no creo, c es el tope que impone el Universo para la velocidad.
Al aumentar aún más la velocidad y acercarse a los 299.792’458 Km/s, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi toda la energía añadida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero la masa es la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energía añadida se traduce en masa que, llegado a cierto límite, podría ser infinita y, como infinito no hay nada, nos quedamos con que nunca, nada, podrá sobrepasar esa velocidad.
El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz porque para conseguirlo hay que comunicarle energía adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energía, por mucha que sea, se convertirá en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentaría ni un ápice.
Todo esto no es pura teoría, sino que tal como ha sido comprobado, es la realidad de los hechos.
¿Que velocidad podría ser la de la luz en otros mundos paralelos que pudieran existir fuera de nuestro universo?
Ninguna nave, por los medios convencionales, podrá nunca superar la velocidad de la luz
La velocidad de la luz es la velocidad límite en el universo. Cualquier cosa que intente sobrepasarla adquiriría una masa infinita, y, siendo así (que lo es), nuestra especie tendrá que ingeniarse otra manera de viajar para poder llegar a las estrellas, ya que, la velocidad de la luz nos exige mucho tiempo para alcanzar objetivos lejanos, con lo cual, el sueño de llegar a las estrellas físicamente hablando, está lejos, muy lejos. Es necesario encontrar otros caminos alejados de naves que, por muy rápida que pudieran moverse, nunca podrían transpasar la velocidad de la luz, el principio que impone la relatividad especial lo impide, y, siendo así, ¿cómo iremos?
La velocidad de la luz, por tanto, es un límite en nuestro universo; no se puede superar. Siendo esto así, el hombre tiene planteado un gran reto, no será posible el viaje a las estrellas si no buscamos la manera de esquivar este límite de la naturaleza, ya que las distancias que nos separan de otros sistemas solares son tan enormes que, viajando a velocidades por debajo de la velocidad de la luz, sería casi imposible alcanzar el destino deseado.
De momento sólo con los Telescopios podemos llegar tan lejos.
Los científicos, físicos experimentales, tanto en el CERN como en el FERMILAB, aceleradores de partículas donde se estudian y los componentes de la materia haciendo que haces de protones o de muones, por ejemplo, a velocidades cercanas a la de la luz choquen entre sí para que se desintegren y dejen al descubierto sus contenidos de partículas aún más elementales. Pues bien, a estas velocidades relativistas cercanas a c (la velocidad de la luz), las partículas aumentan sus masas; sin embargo, nunca han logrado sobrepasar el límite de c, la velocidad máxima permitida en nuestro universo.
Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?
Sí, la Naturaleza nos habla, simplemente nos tenemos que parar para poder oír lo que trata de decirnos y, entre las muchas cosas que nos dice, estarán esos mensajes que nos indican el camino por el que debemos coger para burlar a la velocidad de la luz, conseguir los objetivos y no vulnerar ningún principio físico impuesto por la Naturaleza.
La única respuesta que podemos dar hoy es que así, es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacío es una muestra.
“Jay quien postula que la masa es invariante y que sin importar la velocidad permanece estática, y, lo que varía es el Tiempo.”
A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio.
A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad. Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.
Fotones emitidos por un rayo coherente conformado por un láser
Tenemos el ejemplo del fotón, la partícula mediadora de la fuerza electromagnética, un bosón sin masa que recorre el espacio a esa velocidad antes citada. Hace no muchos días se habló de la posibilidad de que unos neutrinos hubieran alcanzado una velocidad superior que la de la luz en el vacío y, si tal cosa fuera posible, o, hubiera pasado, habríamos de relagar parte de la Teoría de la Relatividad de Einstein que nos dice lo contrario y, claro, finalmente se descubrió que todo fue una falsa alarma generada por malas mediciones. Así que, la teoría del genio, queda intacta.
¡La Naturaleza! Observemoslá.
emilio silvera
Mar
20
La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensidad, por los objetos más fríos. Planck escribió un artículo de ocho páginas y el resultado fue que cambió el mundo de la física y aquella páginas fueron la semilla de la futura ¡mecánica cuántica! que, algunos años más tardes, desarrollarían físicos como Einstein (Efecto fotoeléctrico), Heisenberg (Principio de Incertidumbre), Feynman, Bhor, Schrödinger, Dirac…
El éxito alcanzado por la Física desde finales del siglo XIX hasta esta primera década del siglo XXI no sólo ha transformado nuestra concepción del espacio-tiempo, sino que ha llegado a poner en nuestras mentes una nueva percepción de la Naturaleza: la vieja posición central que asignábamos a la materia ha cedido su lugar a los principios de simetría, algunos de ellos ocultos a la vista en el estado actual del Universo.
Está claro que, los físicos, cada día más ambiciosos en su “querer saber” y su “querer descubrir”, buscan sin descanso nuevos caminos que les lleve a desvelar ocultas maravillas que tienen su hábitat natural en lo más profundo de la Naturaleza misma de la que no sabemos, aún, entender todas sus voces.
Los pensadores del Renacimiento creían que todo el Universo era un modelo de la idea divina y que el hombre era un “creador” que venía después del creador divino. Esta concepción era el concepto de belleza, una de armonía que reflejaba las intenciones de la divinidad. ¡Cuánta ignorancia! que, por otra parte, debemos comprender en aquel contexto.
Los Pinceles de la Naturaleza construye cuadros que… ¿Ningún pintor puede igualar! Mientras que la mente humana discurre e imagina para construir modelos del Universo que asombran al mundo.
¿Revoluciones científicas? ¡La Relatividad!
Hemos tenido que construir máquinas inmensas para poder comprobar los efectos que se producen en un cuerpo cuando éste quiere ir más rápido que la luz. Lo predijo la teoría de la relatividad especial de Einstein y se ha comprobado despuès en los aceleradores de partículas: Nada va más rápido que la luz en nuestro Universo.
Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?
La única respuesta que podemos dar hoy es que así es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacío es una muestra.
A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio. A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad.
Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.
En el futuro, grandes estaciones sumergidas en el océano y ciudades en otros mundos rodeadas de campos de fuerza que impedirán la radiación nosiva mientras tanto se va consiguiendo terraformar el planeta. La tecnología habrá avanzado tanto que nada de lo que hoy podamos imaginar estará fuera de nuestro alcance y, viajar a mundos situados a decenas de años-luz de la Tierra será para entonces, lo cotidiano
En el futuro podríamos ver extrañas instalaciones para ricos que, bajo el agua tendrán todas las comodidades imaginables, cuando la Tierra se vuelva casi inhabitable.
Eso es lo que imaginamos pero… ¿Qué maravillas tendremos dentro de 150 años? ¿Qué adelantos científicos se habrán alcanzado? ¿Qué planetas habremos colonizado? ¿Habrá sucedido ya ese primer contacto del que tanto hablamos? ¿Cuántas “Tierras” habrán sido encontradas? ¿Qué ordenadores utilizaremos? ¿Será un hecho cotidiano el viaje espacial tripulado? ¿Estaremos explotando las reservas energéticas de Titán? ¿Qué habrá pasado con la Teoría de Cuerdas? Y, ¿Habrá, por fín aparecido la dichosa “materia oscura”? Haciendo todas estas preguntas de lo que será o podrá ser, nos viene a la memoria todo lo que fue y que nos posibilita hacer estas preguntas.
Una cosa nos debe quedar bien clara, nada dentro de 250 años será lo mismo que ahora. Todo habrá cambiado en los distintos ámbitos de nuestras vidas y, a excepción del Amor y los sentimientos que sentiremos de la misma manera (creo), todo lo demás, habrá dado lugar a nuevas situaciones, nuevas formas de vida, nuevas sociedades, nuevas maneras y, podríamos decir que una Humanidad nueva, con otra visión y otras perspectivas.
Nuevas maneras de sondear la Naturaleza y desvelar los secretos
Pero echemos una mirada al pasado. Dejando a un lado a los primeros pensadores y filósofos, como Tales, Demócrito, Empédocles, Ptolomeo, Copérnico, Galileo, Kepler y otros muchos de tiempos pasados, tenemos que atender a lo siguiente:
Nuestra Física actual está regida y dominada por dos explosiones cegadoras ocurridas en el pasado: Una fue aquel artículo de 8 páginas que escribiera Max Planck, en ese corto trabajo dejó sentados los parámetros que rigen la Ley de la distribución de la energía radiada por un cuerpo negro. Introdujo en física el concepto novedoso de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de en una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.
Un amigo físico me decía: cuando escribo un libro, procuro no poner ecuaciones, cada una de ellas me quita diez lectores. Siguiendo el ejemplo, procuro hacer lo mismo (aunque no siempre es posible) pero, en esta ocasión dejaremos el desarrollo de la energía de Planck del que tantas veces se habló aquí, y, ponernos ahora a dilucidar ecuaciones no parece lo más entretenido, aunque el lenguaje de la ciencia, no pocas veces es el de los números.
En cualquier evento de Ciencia, ahí aparecen esos galimatías de los números y letras que pocos pueden comprender, dicen que es el lenguaje que se debe utilizar cuando las palabras no pueden expresar lo que se quiere decir. Y, lo cierto es que, así resulta ser.
Después de lo de Planck y su radiación de cuerpo negro, cinco años más tarde, irrumpió en escena otra revolución de la Física se produjo en 1.905, cuando Albert Einstein formuló su teoría de la relatividadespecial y nos dio un golpecito en nuestras cabezas para despertar en ellas nuestra comprensión de las leyes que gobiernan el Universo.
Nos dijo que la velocidad de la luz es la máxima alcanzable en nuestro universo, que la masa y la energía son la misma cosa, que si se viaja a velocidades cercanas a la de la luz, el tiempo se ralentiza pero, el cuerpo aumentará su masa y se contraerá en el sentido de la misma…Y, todo eso, ha sido una y mil veces comprobado. Sin embargo, muchas son las pruebas que se realizan para descubrir los fallos de la teoría, veamos una:
“Las Explosiones de Rayos Gamma (Gamma Ray Bursts, GRB) producen emisiones repentinas de rayos gamma altamente energéticos que duran desde menos de un segundo hasta varios minutos; un abrir y cerrar de ojos en escalas de tiempo cosmológicas. Se sabe que ocurren a inmensas distancias de la Tierra, hacia los límites del Universo observable.
Tras la brusca emisión de rayos gamma suele seguir un resplandor de luz visible, y con el VLT se ha detectado el ejemplo más lejano conocido de este proceso. Con un desplazamiento al rojo calculado de 8,2, la luz de esta fuente astronómica tan remota ha tardado más de 13.000 millones de años en llegar a nosotros.” Imagen de la ESO.
Los científicos que estudian la radiación gamma de una explosión de rayos lejanos han encontrado que la velocidad de la luz no varía con la longitud de onda hasta escalas de distancia por debajo de la Longitud de Planck. Ellos dicen que esto desfavorece a algunas teorías de la gravedad cuántica que postulan la violación de la invariancia de Lorentz.
En la invariancia de Lorentz se estipula que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de dónde se encuentren en el universo. El amigo Einstein utilizó este principio como un postulado de su teor´çia de la relatividad especial, en el supuesto de que la velocidad de la luz en el vacío, no depende de que se esté midiendo, siempre y cuando la persona esté en un sistema inercial de referencia. En más de 100 años la invariancia de Lorentz nunca ha sido insuficiente.
El mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales, la mecánica cuántica y la
relatividad en sus dos versiones, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente. Los postulados que definen las teorías relativistas y la teoría del quántum estan incuestionablemente apoyados por rigurosa y repetida evidencias empiricas. Sin embargo, ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.
La Teoría de cuerdas nos habla de las vibraciones que éstas emiten y que son partículas cuánticas. En esta teoría, de manera natural, se encuentran las dos teorías más importantes del momento: La Gravedad y la Mecánica cuántica, allí, subyacen las ecuaciones de campo de la teoría de la relatividad general que, cuando los físicas de las “cuerdas” desarrollan su teoría, aparecen las ecuciones relativista, sin que nadie las llame, como por arte de magia. Y, tal aparición, es para los físicos una buena seña.
Sin embargo, los físicos siguen sometiendo a pruebas cada vez más rigurosas, incluyendo versiones modernas del famoso experimento interferométrico de Michelson y Morley. Esta dedicación a la precisión se explica principalmente por el deseo de los físicos para unir la mecánica cuántica con la relatividad general, dado que algunas teorías de la gravedad cuántica (incluyendo la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles) implica que la invariancia Lorentz podría romperse.
Explosión cósmica de rayos Gamma
Granot y sus colegas estudiaron la radiación de una explosión de rayos gamma (asociada con una explosión de gran energía en una galaxia distante) que fue descubierto por la NASA con el Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Se analizó la radiación en diferentes longitudes de onda para ver si había indicios de que los fotones con energías diferentes llegaron a los detectores del Fermi en diferentes momentos.
Tal difusión de los tiempos de llegada parece indicar que la invariancia Lorentz efectivamente había sido violada, es decir que la velocidad de la luz en el vacío depende de la energía de la luz y no es una constante universal. Cualquier dependencia de la energía sería mínima, pero aún podría resultar en una diferencia mensurable en los tiempos de llegada de fotones debido a los miles de millones de años luz de a la que se encuentran las explosiones de rayos gamma en una galaxia lejana.
Cuando nos acercamos a la vida privada del genio… ¡también, como todos, era humano!
De la calidad de Einstein como persona nos habla un detalle: Cuando el Presidente Chaim Weizmann de Israel murió en 1952, a Einstein se le ofreció la presidencia, pero se negó, diciendo que no tenía “ni la habilidad natural ni la experiencia para tratar con seres humanos.” Luego escribió que se sentía muy honrado por el ofrecimiento del estado de Israel, pero a la vez triste y avergonzado de no poder aceptarla.
Pero sigamos con la segunda revolución de su teoría que se dio en dos pasos: 1905 la teoría de la relatividad especial y en 1.915, diez años después, la teoría de la relatividad que incluía la Gravedad, es decir la llamada relatividad general que varió por completo el concepto del Cosmos y nos llevó a conocer de manera más profunda y exacta cómo funcionaba la Gravedad, esa fuerza descrita por primera vez por Newton.
Einstein nos decía que el espacio se curva en presencia de grandes masas
En la Teoría Especial de la Relatividad, Einstein se refirió a sistemas de referencias inerciales (no acelerados). Asume que las leyes de la física son idénticas en todos los sitemas de referencia y que la velocidad de la luz en el vacío, c, es constante en el todo el Universo y es independiente de la velocidad del obervador.
La teoría desarrolla un sistema de matemáticas con el fin de reconciliar estas afirmaciones en aparente conflicto. Una de las conclusiones de la teoría es que la masa de un cuerpo, aumenta con la velocidad (hay una ecuación quer así lo demuestra), y, tal hecho, ha sido sobradamente comprobado en los aceleradores de partículas donde un muón, ha aumentado más de diez veces su masa al circular a velocidades cercanas a la de la luz. Y el muón que tiene una vida de dos millonésimas de segundo, además, al desplazarse a velocidades relativistas, también ven incrementado el tiempo de su vida media.
El Acelerador de Partículas LHC es una Obra inmensa que ha construido el SER Humano para saber sobre la Naturaleza de la materia y…
Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de datos a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.
El LHC es un esfuerzo internacional, donde participan alrededor de siete mil físicos de 80 países. Consta de un túnel en forma de anillo, con dimensiones interiores parecidas a las del metro subterráneo de la Ciudad de México, y una circunferencia de 27 kilómetros. Está ubicado entre las fronteras de Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, a profundidades que van entre los 60 y los 120 metros debido a que una parte se encuentra bajo las montañas del Jura
La ciencia, en especial la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación; es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto que incluye, en cada experimento, los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías, el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo, la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.
Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde una energía L, su masa disminuye en L/c2. En la teoría de Einstein se generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con la ecuación m=E/c2 ( o la más popular E=mc2).
Otras de las conclusiones de la teoría relativista en su modelo especial, está en el hecho de que para quien viaje a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), el tiempo transcurrirá más lento. Dicha afirmación también ha sido experimentalmente comprobada.
Todos estos conceptos, por nuevos y revolucionarios, no fueron aceptados por las buenas y en un primer momento, algunos físicos no estaban preparados para comprender cambios tan radicales que barrían de un plumazo, conceptos largamente arraigados.
Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas
Fue Max Planck, el Editor de la Revista que publicó el artículo de Albert Einstein de la relatividad quien al leerlo se dió cuenta de la enorme importancia de lo que allí se decía. A partir de aquel momento, se convirtió en su valedor, y, Einstein, mucho más tarde reconoció públicamente tal ayuda.
En la segunda parte de su teoría, la Relatividad General, Einstein concluyó que el espacio y el tiempo están distorsionados por la materia y la energía, y que esta distorsión es la responsable de la gravedad que nos mantiene en la superficie de la Tierra, la misma que mantiene unidos los planetas del Sistema Solar girando alrededor del Sol y, también la que hace posible la existencia de las Galaxias.
¡La Gravedad! Siempre está presente e incide en los comportamientos de la materia. La gravedad presente en un agujero negro gigante hace que en ese lugar, el tiempo deje de existir, se paralice y el espacio, se curve en una distorsión infinita. Es decir, ni espacio ni tiempo tienen lugar en la llamada singularidad.
Nos dio un conjunto de ecuaciones a partir de los cuales se puede deducir la distorsión del tiempo y del espacio alrededor de objetos cósmicos que pueblan el Universo y que crear esta distorsión en función de su masa. Se han cumplido 100 años desde entonces y miles de físicos han tratado de extraer las predicciones encerradas en las ecuaciones de Einstein (sin olvidar a Riemann ) sobre la distorsión del espaciotiempo.
Un Agujero Negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de esta teoría relativista: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia de un agujero negro y lo que se denomina una singularidad. De hecho, el Big Bang, se cree que surgió de una singularidad.
Las ecuaciones de campo de la teoría de Einstein ¡Nos dicen tantas cosas!
Si tuviéramos un agujero negro del tamaño de la calabaza más grande del mundo, de unos 10 metros de circunferencia, entonces conociendo las leyes de la geometría de Euclides se podría esperar que su diámetro fuera de 10 m.: л = 3,14159…, o aproximadamente 3 metros. Pero el diámetro del agujero es mucho mayor que 3 metros, quizá algo más próximo a 300 metros. ¿ Cómo puede ser esto ? Muy simple: las leyes de Euclides fallan en espacios muy distorsionados, en la figura de arriba de S. Torres se puede ver que el diámetro es enorme.
De esa Teoría surgió la geometría del Espacio, las lentes gravitacionales, los agujeros negros y llegó la cosmología moderna, otra manera de mirar el Universo
Con esta teoría de la Relatividad General, entre otros pasos importantes, está el hecho de que dió lugar al nacimiento de la Cosmología que, de alguna manera, era como mirar con nueva visión a lo que l Universo podía significar, Después de Einstein el Universo no fue el mismo.
El análisis de la Gravitación que aquí se muestra interpreta el Universo como un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones en el el que la presencia de una masa (como decía antes) curva el espacio para crear un campo gravitacional.
De la veracidad y comprobación de las predicciones de ésta segunda parte de la Teoría Relativista, tampoco, a estas alturas cabe duda alguna, y, lo más curioso del caso es que, después de casi un siglo (1.915), aún los físicos están sacando partido de las ecuaciones de campo de la teoría relativista en su versión general o de la Gravedad.
Tan importante es el trabajo de Einstein que, en las nuevas teorías, en las más avanzadas, como la Teoría M (que engloba las cinco versiones de la Teoría de Cuerdas), cuando la están desarrollando, como por arte de magía y sin que nadie las llame, surgen, emergen, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General.
La luz se propaga en cualquier medio pero en el vacío, mantiene la mayor velocidad posible en nuestro Universo, y, hasta el momento, que se sepa, nada ha corrido más que la luz en ese medio. Algunos han publicado ésta o aquella noticia queriendo romper la estabilidad de la teoría de la relatividad y publican sucesos sobre neutrinos o taquiones que van más rápidos que la luz. Sin embargo, todo se quedó en eso, en una noticia sin demostración para captar la atención del momento.
La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c×c, es decir:
3×1010 × 3×1010, ó 9×1020.
Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×1020 ergios de energía.
El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s, y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2×1010 (22 millones) de kilocalorías. Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco si lo comparamos con la vida media de un hombre.
Emilio Silvera
Feb
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ELEFANTE MISTERIOSO
Para empezar, recordemos estos postulados referentes al tiempo:
- Un reloj atómico en el piso 20 corre más rápido que un reloj en la planta baja
- Dos gemelos: donde uno de ellos entrara a un agujero negro a la velocidad de la luz, este no envejecería relativamente, a diferencia de su hermano que estando fuera del agujero el tiempo corre más rápido y por ende envejecería.
“Diagrama espacio-tiempo que muestra al gemelo alejarse (primer tramo línea negra) y regresar a la Tierra. En este diagrama la posición de la Tierra en cada instante se mueve a lo largo del eje vertical. La distancia entre la última línea azul y la primera roja representa no envejecido el tiempo ganado por el viajero.”
Estas afirmaciones se basan en la idea donde el espacio y el tiempo es uno mismo y que la materia curva al espacio. Y la idea tal cual de unificar el espacio y el tiempo en una sola cosa es la clave para entender porque el tiempo desde nuestro ángulo pareciera dilatarse.
La realidad es que el espacio-tiempo es más simple que pensar en entender cosas que se dilatan y efectos fuera de una lógica sencilla como envejecer, geométricamente el Espacio-tiempo debe ser una misma cosa y fácil de expresar.
Para comprender el espacio-tiempo Imaginemos que nuestro universo es la cascara de una manzana, donde en sus inicios en tiempo cero, cuando ocurrió el big bang teníamos entonces una mini manzana de tamaño infinitesimal; y ahora, en el tiempo actual, el universo es representado por solo la cascara de la manzana a tamaño normal y que en el futuro simplemente será una manzana mucho más grande que la manzana del tiempo actual, y donde nuestro universo solo radica en la cascara de la manzana.
Y viendo ahora al tiempo como ejes o vectores que salen del big bang hacia todos lados, (no es un eje lineal único y aislado sino infinitos ejes, que forman una especie de asterisco 3D) y estos ejes nos ayuda para una referencia de medición para ver cuánto ha viajado la cáscara de la manzana, en cada determinado tiempo, y en cada punto del espacio. (el tiempo ahora se vuelve como la distancia de un punto del universo hacia su origen)
Y así como se infla un globo y alguna zona del globo se topa con algún objeto o materia que impida que se infle dicho globo de forma constante, entonces podemos deducir que en nuestro universo (de cáscara de manzana) donde exista mayor materia acumulada, ésta actuará como impedimento para que los vectores del tiempo no crezcan de forma uniforme y constante.
Figura 1: El tiempo (líneas negras) ahora se podría decir que es tan simple como la distancia de un punto del universo hacia su origen… con un principio claro, y creciendo al infinito, donde en algunos puntos del espacio el tiempo no ha avanzado tanto en comparación a otros puntos.
En la imagen las líneas negras describen el tiempo donde unas crecen más que otras, y esto se traduce a por ejemplo que varios vectores están llegando a un tiempo X, mientras los vectores del tiempo que se topan con grandes cantidades de materia como un sol, o agujeros negros, el tiempo no será X; Sino X menos un valor Y, todo en relación a la oposición de materia que se encuentre a su paso.
Entonces:
Donde exista mayor acumulación de masa, el tiempo no crece lo que debiera de crecer.
A diferencia donde casi no hay masa y el tiempo continúa sin impedimentos avanzando, de forma radial y constante.
Con esto, podríamos pensar ahora en este ejemplo de como funciona el tiempo:
Poniendo valores arbitrarios: en la cáscara-universo donde no existe un hoyo negro, el tiempo es digamos: t60 y donde existe el hoyo negro el tiempo mide t50. Y si los medimos con los relojes atómicos los resultados son exactamente t60 y t50 respectivamente.
Entonces…Viajar en el tiempo y regresar al mismo lugar de origen ¿será factible?
Pensando como los gemelos que viajan en el tiempo ¿qué ocurre realmente?
Un gemelo que nace en el hoyo negro definitivamente si es más joven con respecto al gemelo que no está en el agujero; pero si el gemelo se avienta en un t60 al hoyo, y dejamos pasar t10 tiempos. Entonces el gemelo de afuera tendría t70 sin controversias por su edad; pero el gemelo dentro del hoyo si en pocos segundos cae a la misma velocidad de expansión del universo (en sentido contrario), ahora podría tener t60 años teóricos-constantes, y sus mediciones estarían en t60 de forma correcta, esto daría una percepción que el tiempo se detuvo para él, y más que viajar en el tiempo solo se está pausando el vector de tiempo en un cierto punto del universo para dicho gemelo; pero seamos más aventurados … si cae más allá del radio del tiempo t60, (viaja más profundo) estaría ahora regresando en el tiempo, emulando un viaje al pasado y chance podrá estar posicionado más al fondo del universo ahora en un tiempo con radio t50).
Lamentablemente, este viaje al pasado primeramente no puede ser en el mismo espacio origen donde vivió nuestro gemelo, sino solo en un hoyo negro… Siempre sería en otra coordenada del espacio-tiempo cuando se hace este viaje. Y también hay que tomar en cuenta que: si su alrededor es un universo más joven, el mismo debería ser afectado por esta juventud. Por ende, esto genera una paradoja de rejuvenecer que aparte es distinto a parar el tiempo, ya que el problema ahora es, que el tiempo sería menor para el gemelo, y no cero; quisiera pensar que detener el tiempo se asemeja más a la temperatura de la materia y el cero absoluto, donde no se puede traspasar el ir más allá del cero y por ende no debería haber tiempos negativos.
Y en segundo punto, para que esta problemática o paradoja de tiempos restados o negativos ocurra, primero debería haber más materia o energía que comprima el globo o cáscara en solo una porción del espacio, a la misma o mayor velocidad de expansión del universo, cosa que en nuestro universo ni acumulando toda la materia en un punto ocurriría, haciendo que se no se cumpla tener tiempos negativos. (al final los hoyos negros son como hormiguitas tratando de frenar una expansión y sin saber que siguen siendo arrastrados en sentido contrario, aunque den su mayor esfuerzo por frenar la expansión)
Entonces: un viaje en el tiempo, al final implica a lo mucho solo detener el tiempo, supongo que para algunas personas suena genial ser inmortal; pero al menos que migremos nuestra casa, nuestros amigos y nuestra ciudad al hoyo negro no tendría sentido ser materia que no envejece tan lejos del hogar.
Por otro lado, si hipotéticamente encontramos energía suficiente (más energía y materia de lo que existe en nuestro universo) para rebasar ese umbral de la velocidad de expansión del universo no sabríamos si corremos el riesgo de desgarrar nuestro universo, así como una aguja trata de frenar la inflación de un globo. (generar tanta energía en tan poco espacio pudiera desestabilizar el orden de dicho universo).
Figura 2: Comprimir el tiempo en un solo punto del universo requiere más energía-materia de la que existe en nuestro universo, el cual hace que en nuestro universo sea probablemente imposible comprimir o parar el tiempo.
Reflexionando… Si esta geometría del espacio-tiempo llegara a ser correcta, entoces nos abre a más ideas, como por ejemplo, ahora tampoco habría impedimento para encontrar zonas del universo que avanzan, envejecen más rápido que el tiempo constante-radial actual. (como en una llanta radial donde se ha abombado y roto sus hilos radiales, generando una burbuja, esto por falta de materia que funja como red o freno a la presión del tiempo)
Figura 3: Donde no exista concentración de materia (abombamiento hipotético) en el espacio, el tiempo sería mayor. (el tiempo se extiende más) ya que la distancian desde el big bang será mayor en relación a otros puntos del universo donde exista mas materia.
Si estas zonas existen, deberían ser zonas de vacíos extremos, de vacíos de materia dentro de nuestro universo… Y si pudiéramos, en vez de enfocarnos en hoyos negros, enfocarnos en estas protuberancias para experimentar viajar al futuro, sin el riesgo de ser desgarrados por tanta gravedad dentro de un hoyo negro… Ahora nuestro problema para viajar es emular la gravedad y presión constante en un vacio, y esto con una simple aceleración radial de cuerpos se pudiera emular.
Hagamos este otro experimento mental:
Supongamos que el tiempo actual es t60 y viajamos en unos segundos en una máquina tipo odisea 2000 con rotación gravitatoria hacia un tiempo t70 abombado, internamente al haber gravedad o masa emulada podríamos envejecer a velocidad similar a la tierra (salvándonos de no envejecer los t10 tiempos), y seríamos casi igual de jóvenes; pero ahora en un espacio t70 , aunque solo dentro de la nave girando el tiempo es t60, emulando que fuimos al futuro; pero en un espacio o coordenada distinta a nuestro origen.
Y si ahora pretendemos regresar al espacio-tiempo t60 origen, desplazándonos a nuestro espacio t60 en unos segundos. Realmente lo que conseguiríamos (óptimamente) es solo ser más viejos por unos segundos con respecto a los que dejamos en tierra (más segundos de ida y segundos de regreso)…pero si nuestro sueño es el viaje en el tiempo para ser jóvenes y ver el futuro como en las películas, implicaría mejor mandar a toda la tierra sin nosotros a este viaje y esperar unos segundos a que la tierra regrese. (simplemente al revés que el los viajes dentro de un agujero negro)
Nota: obviamente no podemos viajar en pocos segundos a una zona del universo donde detectemos este vacio o tiempo abombado: y hacer el viaje costaría un tiempo de ida y otro de regreso más de vejez a nuestros viajeros o a nuestros objetos que enviemos a este viaje. (simplemente no son solo segundos como el ejemplo anterior)
Para finalizar remontando a Einstein y para entender mejor el espacio-tiempo pareciera que:
Viajando a la velocidad cercana de la luz; y regresar al punto de partida, la teoría dice que el gemelo viajero es más joven que el gemelo de la tierra…. Pareciera que envejecer no depende tanto de la velocidad de la luz; sino de la concentración de masa que existe a esa velocidad, la cual se vuelve infinita la masa, y que hace que el vector tiempo no crezca en comparación a otros vectores, y por ende éste tiempo no avance, similar a lo que ocurre en un hoyo negro, y de la misma forma, pero a la inversa, el tiempo avanzará mas, si algo o alguien viaja hacia un abombamiento radial hipotético y regresa después a su punto de origen.
visto de otra forma, tendríamos que:
E = mc2 (Energía es igual a Masa por la velocidad de la luz al cuadrado)
Hoy entendemos que viajar a la velocidad de c = frenar el tiempo
viajar a la cercana velocidad de c = desacelerar el tiempo
¿Pero será “c” o sera “m” quien provoca este freno? al final la masa que tiende a infinito es quien impide que siga el vector tiempo a su velocidad normal.
Hacer viajar un fotón a la velocidad de la luz no genera más gravedad o masa, los fotones no tienen masa; pero hacer viajar una partícula con masa a la velocidad de la luz efectivamente la masa aparenta volverse infinita…además que para que exista masa se requieren de bosones Higs, y no de bosones de tipo fotón, y entonces la masa es la responsable de frenar el avance del tiempo en un cierto punto del espacio. ( y así llegamos a entender que el espacio es curvo y que el tiempo no es constante en todo el espacio)
Lo que Einstein encontró como espacio-tiempo y su deformación por la gravedad, también se puede explicar con peras o simplemente con manzanas.
Curioso, Newton usó una manzana para explicar la gravedad, y ahora una manzana sirve para explicar como la gravedad y el espacio se relaciona con lo que hoy llamamos el tiempo.
Autor: Luis Palau
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