¿Cuándo lo conoceremos? Sí,  me refiero al Universo. Su compleja y peculiar naturaleza hizo posible que surgieran las estrellas y las galaxias a partir de la sustancia cósmica que, durante diez mil millones de años ha estado evolucionando en los hornos nucleares de las estrellas para que, finalmente, esa evolución de la materia, se pudiera convertir en pensamientos.

Que poco a poco, el intelecto humano va desvelando secretos del universo, tiene hoy día poca discusión.  Claro que, no siempre fue así. En 1900 fue Kelvin el que señaló que “dos nubes” se cernían sobre el horizonte: una tenía que ver con las propiedades del movimiento de la luz y la otra con aspectos de la radiación que emiten los objetos cuando se calientan.

                                             La semilla de la Mecánica cuántica y la Relatividad

Y, aunque los dos problemas fueron rápidamente abordados, no eran en absoluto menores. Cada uno de ellos inició una auténtica revolución, y cada uno de ellos nos llevó a un nuevo entendimiento de la Naturaleza. Al entender aquellos dos conceptos (de luz y radiación), el espacio, el tiempo y la realidad (que durante muchos años habían regido nuestros pensamientos, tuvieron que ser apartados para adoptar otras maneras de entenderlos y otras formas de pensamientos) .

La luz representa el límite de velocidad que impone nuestro Universo, nada puede ir más rápido que la luz en el vacío, si viajamos a velocidad cercana a la de la luz… ¡El Tiempo se ralentiza! Y, además, los cuerpos viajeros aumentan su masa, ya que, la energía inercial, al ser frenada, se convierte en masa. Los grandes objetos como mundos, estrellas y galaxias, curvan el Espacio por medio de la Gravedad que generan, y, la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa (E = mc² ).

Todos estos postulados pudo la Física “patas arriba”, Einstein entró como elefante en cacharrería y formó una revolución que, poco a poco, tuvo que ser aceptada, con la ayuda de Max Planck y de Arthur Stanley Eddington que comprendieron la Teoría einsteniana y sus muchas repercuiones.

Por aquel entonces, el joven Einstein trabajaba en la Oficina de Patentes de Berna (Suiza)

La relatividad de Einstein (que abordó una de aquellas nubes) en dos etapas,  1905 y 1915, cuando quedó completa la teoría en su primera parte especial y en la segunda general. Mientras luchaba con enigmas que implicaban a la electricidad, el magnetismo y el movimiento de la luz, Einstein se dio cuenta de que la idea de Newton de espacio y tiempo, la piedra angular de la física clásica, era errónea y él, con su nueva manera de ver el universo, postuló que el espacio y el tiempo no eran independiente en absoluto, como Newton había pensado, sino que está mezclado de una manera que contradice nuestra experiencia común y, cuando pudo finalizar la segunda parte de la relatividad, Einstein terminó de desterrar a Newton al exponer sus ecuaciones de campo de la relatividad general que describe, de manera magistral, lo que es la fuerza de Gravedad y las leyes que rigen la física gravitatoria. Así quedó demostrado que espacio y tiempo son parte de un todo unificado y, también demostró que deformándose y curvándose participan en la evolución cósmica  y escriben la geometría del universo. Así que, desde entonces, sabemos que, aquellas estructuras rígidas e inmutables de Newton, a partir de Einstein, serían flexibles y dinámicas.

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas de tipo Cefeidas Variables. El espectro de la luz estelar revela la velocidad a la que se mueve la galaxia (Efecto Doppler) y la cantidad de expansión que ha sufrido el universo desde que la luz salió de su fuente.

¿Qué dudas podemos tener sobre el hecho cierto de que, las dos teorías de la relatividad se encuentran entre los mayores logros del intelecto humano? Las ideas que contienen, cambiaron la manera de mirar el universo y dio lugar al nacimiento de la cosmología como ciencia.

La otra “nube negra” a la que se refería Kelvin, relacionada con la radiación que emitían los cuerpos calientes, nos llevó a la segunda revolución: La Mecánica Cuántica, con ello llegaron nuevos conceptos a los que fue sometido el intelecto humano y que revolucionó la física de la época para transmutarnos hacia un mundo moderno lleno de conceptos nuevos que chamuscaban los brillantes barnices de la física clásica al quedar literalmente achicharrados por la potente luz que desprendía la realidad cuántica.

El catorce de diciembre de 1900 en los albores del siglo XX, el físico alemán Max Planck (1858-1947) presentó un trabajo acerca de la ley de radiación del cuerpo negro en una reunión de la Sociedad alemana de Física de Berlín y esta fecha puede ser considera, sin ninguna duda, como el nacimiento de la Mecánica cuántica. En su deducción. Planck introdujo en Física el concepto nuevo 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 fue, posteriormente la base, para la teoría cuántica.

Toda esta función llamada ley de Planck se ajusta muy bien a los datos obtenidos experimentalmente. El valor de la constante de Planck, h, puede ser determinado encajando la función de la ecuación a los datos experimentales. La importancia fundamental, la explicación física de la cuantificación o cuantización (discretización) introducida por la ecuación, no fue completamente entendida ni por el mismo por Planck que la consideraba simplemente un truco matemático para ajustar una función matemática a los datos físicos. Planck era un físico formado en la tradición clásica, y que solo abandonó los supuestos clásicos “en un acto de desesperación” como él dijo alguna vez.

El significado físico de la entrada del cuento de acción en la escena física, no fue generalmente apreciada por los físicos hasta 1905, cuando el genial físico (de nuevo) Einstein, aplicó las ideas cuánticas de Planck a su inconmensurable trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le ganaría el Nobel de Física) al sugerir que la misma no era una misteriosa propiedad de los osciladores en las paredes de la cavidad y la radiación de cuerpo negro, la cuantificación es una característica fundamental de la propia energía lumínica.

Claro que, una característica central de la Física Clásica es que si conocemos las posiciones y velocidades de todos los objetos en un instante particular, podemos decir cuáles serán sus posiciones y velocidades en cualquier otro instante, ya sea pasado o futuro. Sin equivocación, la física clásica declara que el pasado y el futuro están gravados en el presente. Esta característica es también compartida por la Relatividad Especial y General. Aunque los conceptos relativistas de pasado y futuro son más sutiles que sus que sus familiares contrapartidas clásicas, las ecuaciones de la relatividad, junto con una evaluación completa del presente, los determinan por completo.

Siempre nos preguntaremos por el número que saldrá o dónde estará la partícula que buscamos

De forma completamente inesperada, encontraron que sólo las leyes cuánticas eran capaces de resolver la barahúnda de rompecabezas y explicar una gran variedad de datos recién adquiridos procedentes de los átomos y del reino subatómico. Sin embargo, si hacemos la medida más perfecta técnicamente posible para comprobar cómo son las cosas en este preciso momento, lo más que podemos esperar es predecir la probabilidad de que las cosas sean de una manera o de otra en un instante escogido en el futuro, o de que las cosas fueron de una determinada manera o de otra en algún instante escogido en el pasado. El Universo, según la mecánica cuántica, no está grabado en el presente; el universo, según la mecánica cuántica, participa (por decirlo de alguna manera) en un juego de Azar.

Mientras que la Intuición humana, y su encarnación de la Física Clásica, imagina una realidad en la que las cosas a veces se mantienen en un estado confuso entre ser parcialmente de una manera y parcialmente de otra. Las cosas sólo se hacen definidas cuando una observación apropiada las obliga a abandonar las posibilidades cuánticas y asentarse en un resultado específico. Sin embargo, el resultado que se hace real no puede predecirse: solo podemos predecir las probabilidades de que las cosas resulten de una manera o de otra.

    La Paradoja EPR y los conceptos de Tiempo y Espacio, Presente, Pasado y Futuro 

La paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen, denominada “Paradoja EPR”, trata de un experimento mental propuesto por Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935. Es relevante, pues pone de manifiesto un problema aparente de la mecánica cuántica, y en las décadas siguientes se dedicaron múltiples esfuerzos a desarrollarla y resolverla. 

A Einstein (y a muchos otros científicos), la idea del entrelazamiento cuántico le resultaba extremadamente perturbadora. Esta particular característica de la mecánica cuántica permite preparar estados de dos o más partículas en los cuales es imposible obtener información útil sobre el estado total del sistema haciendo sólo mediciones sobre una de las partículas. 

Por primera vez, se observa la paradoja de Einstein.Podolsky-Tosen en un sistema de muchas partículas.

El experimento planteado por EPR consiste en dos partículas que interactuaron en el pasado y que quedan en un estado entrelazado. Dos observadores reciben cada una de las partículas. Si un observador mide el momento de una de ellas, sabe cuál es el momento de la otra. Si mide la posición, gracias al entrelazamiento cuántico y al principio de incertidumbre, puede saber la posición de la otra partícula de forma instantánea, lo que contradice el sentido común.

No todo lo que podemos constatar en la Mecánica cuántica es fácilmente asimilado por nuestras Mentes que, aplicando el sentido común (que a veces resulta el menos común de los sentidos) nos niegan esa realidad incontestable.

Esto, para nuestro común raciocinio, no resulta nada familiar y sí resulta muy extraño. No estamos acostumbrados a una realidad que permanece ambigua hasta que es percibida. Pero la singularidad de la mecánica cuántica no se detiene aquí. Tan sorprendente al menos como esta es una característica que se representa en un artículo por Einstein en 1935 con dos colegas más jóvenes, Nathan Rosen y Boris Podolsky, que pretendía ser un ataque a la teoría cuántica. Con giros posteriores del progreso científico, el artículo de Einstein puede considerarse ahora como uno de los primeros en señalar que la mecánica cuántica –si se toma al pie de la letra- implica que algo que uno observa aquí puede estar instantáneamente ligado a algo que está sucediendo allí, independientemente de la distancia.

Claro que Einstein consideraba absurdas tales conexiones instantáneas y postulaba que la teoría necesitaba mucho desarrollo para llegarla a conocer por completo. Sin embargo, cuando la teoría y la tecnología permitió comprobar todos aquellos supuestos absurdos cuánticos, los investigadores pudieron comprobar que podía haber  un vínculo instantáneo entre lo que sucede en lugares ampliamente separados. Dos objetos pueden estar muy distantes en el espacio, pero por lo que concierne a la mecánica cuántica es como si fueran una única entidad. Además, debido al rígido vínculo entre espacio y tiempo encontrado por Einstein, las conexiones cuánticas también tienen tentáculos temporales.

                                 Muchas son las cosas que aún no hemos llegado a comprender

Tenemos que comprender que abrir nuestras mentes a la verdadera naturaleza del Universo ha sido, desde siempre, uno de los objetivos más importantes de la Física. Al menos para mí, es difícil imaginar, una experiencia más cautivadora y reveladora que la de aprender, conocer y saber cómo hemos podido llegar hasta ésta segunda década del siglo XXI en la que, sentimos y somos conscientes de que la realidad que en este “universo” del saber del mundo sentimos, es, un pálido reflejo, de la realidad que nos acecha en el futuro.

Mientras tanto, algunos no dejan el empeño de unificar en una sola esas dos grandes teorías cuántica-relativista. Algunos, sin el equipamiento necesario, se metieron osados en las rápidas aguas que los arrastró en la corriente, y, sin embargo, tuvieron el tiempo necesario para dejar, a los que venían detrás, sus ideas de que, una teoría cuántica-relativista era posible. Así, llegó, con Kaluza-Klein aquel primer impulsoque se intentó en la quinta dimensión para unificar la Relatividad General de Einstein con el Electromagnetismo de Maxwell.

Pasó el tiempo y surgieron aquellas teorías de gran unificación que se llamaron de supergravedad, supersimetría, la cuerda heterótica, supercuerda y, la última y unificadora de todas las demás, la Teoría M. Y, la persistencia de todo este elenco de esforzados físicos, no cayó en saco roto. El sueño se mantiene muy vivo y no pierden la esperanza de alcanzar la recompensa a tanto trabajo y sacrificio. Los científicos recorren ahora caminos desbrozados por exploradores del pasado y ellos los siguen abriendo nuevos surcos, como si de exploradores se tratara, buscan y se acercan a una fusión armoniosa de las Leyes de lo muy Grande y de lo Muy Pequeño. Estamos seguros de que más tarde o más temprano, las supercuerdas nos darán una gran alegría que, cuando surja, será como la de Einstein y Planck, otra gran revolución.

   Todo unido en una misma teoría en la que subyace la Gravedad-Cuántica, de eso nos habla la teoría de cuerdas que va mucho más allá de los Quarks

El sencillo repaso que llevamos dado a algunos acontecimientos de la física, son, por sí mismos, suficiente para comprender que nuestra comprensión de la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo sería un testimonio de la capacidad del intelecto humano. Finalmente ¿llegaremos a conocer la realidad que subyace dentro de los conceptos del espacio-tiempo? Aquí, antes de dar una respuesta categórica, tendríamos que pasar un largo tiempo en silencio y pensando muy profundamente en la clase de respuesta que podríamos dar, toda vez que, tenemos delante de nosotros el horizonte de marcadores que delimitan las más remotas fronteras que, en nuestras mentes, quedan fuera de toda la experiencia humana, y, en ese sentido, sólo podemos intuir, para poder dar (con la experiencia hasta el momento adquirida), una respuesta que, de ninguna manera, puede ser categórica en ningún sentido que nos lleve a una realidad, ya que, en Ciencia, todo tiene que estar constatado y, el futuro, nos queda lejos, muy pero que muy lejos aún.

Si nos paramos a pensar por un momento, lo que hemos podido llegar a conseguir en las distintas ramas de la Ciencia, no tendríamos lugares suficientes para alojar la cantidad de asombro que nos abrumaría. Muchos han sido los logros que el ser humano ha podido conquistar con tan sólo su cerebro como herramienta principal. Y, al verdadero físico, por ejemplo, siempre se le aceleró el corazón cuando estaba a la vista del descubrimiento soñado. ¿Podéis imaginar lo que sentiría Einstein cuando al fin, después de largos años de búsqueda, pudo formular su teoría de la relatividad general?

¿Qué sensación puede existir para un científico que esa de descubrir los secretos de la Naturaleza?

Hay cuestiones importantes que nunca debemos olvidar y, desde luego, hombres de grandes pensamientos posibilitaron que nosotros estemos ahora en el nivel en el que nos encontramos en muchas ramas del saber humano que, sin auqellas ideas… Por ejemplo:

El gran filósofo alemán Gottfried Wilehlm Leibniz (que era contemporáneo de Newton con el que tuvo algunas refriegas), creía firmemente que el espacio no existe en ningún sentido convencional. Hablar de espacio, afirmaba, no es nada más que una forma fácil y conveniente de codificar dónde unas cosas se relacionan con otras. Sin objetos en el espacio, decía Leibniz, el propio espacio no tiene significado o existencia independiente, es decir, él nos decía que el espacio sin materia, el espacio vacío, no tenía ningún sentido. Un espacio vacío vendría a ser como un alfabeto sin letras.

                 Mach trabajando

Otro personaje que no es fácil de olvidar (Einstein lo tenía siempre en sus pensamientos en la relatividad general), es Mach que, entre otras muchas cuestiones se planteó que, en un universo vacío no hay distinción entre girar y no girar –no hay concepto de movimiento o aceleración si no hay puntos de referencia para comparar- y por lo tanto, girar o no girar sería lo mismo. Si las dos piedras de Newton unidas por una cuerda se pusieran a girar en un universo por lo demás vacío, Mach decía que la cuerda permanecería flácida. Si nosotros girásemos en un universo por lo demás vacío, nuestros brazos y piernas no se despegarían del cuerpo, y el fluido de nuestros oídos no se vería afectado, nosotros no sentiríamos nada. Esta es una sugerencia profunda y sutil. Para asimilarla realmente nosotros necesitaríamos meternos seriamente el el ejemplo e imaginar la quietud uniforme y negra del espacio totalmente vacío.

El de Mach fue el primer desafío importante a la obra de Newton en más de dos siglos, y durante años envió ondas de choque a través de la comunidad de la Física. Claro que, todas estas ideas han ido evolucionando y nos han llevado a conceptos de campos de diversas procedencias, tales como: el campo de Faraday, los campos gravitatorios, campos nucleares, campos de Higgs, y otros. Cada vez se hizo más claro que el concepto de campo para una formulación moderna de la física era importante.

Claro que, pasado el tiempo, en todo aquello intervino alguien que, sencillo él, como si de un niño se tratara, se hacía preguntas “tontas” de una profundidad inalcanzable. Así, las ecuaciones de Maxwell no permitían que la luz parezca estacionaria, es decir, verla como si estuviera en reposo. Y ciertamente, no hay ningún informe fiable de nadie que realmente haya considerado un trozo estacionario de luz. Entonces se preguntaba el adolescente Einstein, ¿qué vamos a hacer con esta aparente paradoja?

Y volvemos al principio: Diez años más tarde, Einstein dio al mundo su respuesta con su teoría de la relatividad especial. Ha habido muchos debates sobre las raíces intelectuales del descubrimiento de Einstein, pero no hay duda de que su inquebrantable creencia en la simplicidad jugó un papel crítico. Einstein postulaba que la luz era un viajero solitario, la luz puede viajar a través del espacio vacío. Einstein nos vino a decir, con su sencilla manera de exponer las cosas que, si la teoría de Maxwell no apela a ningún patrón de reposo particular, la interpretación más directa es que no necesitamos uno. La velocidad de la luz, declaró Einstein, es de 1.080 millones de kilómetros por hora con respecto a nada y a todo.

“Hacer las cosas tan simples como sea posible, pero no más” En física hay un principio que se debe seguir:  En realidad es… “un principio” metodológico y filosófico atribuido a Guillermo Ockham (1280-1349),  según el cual, «en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la correcta». Esto implica que, cuando dos teorías en igualdad de condiciones tienen las mismas consecuencias, la teoría más simple tiene más probabilidades de ser correcta que la compleja.

Durante toda su vida, Einstein desafío el sentido común y, con la paradoja de las ecuaciones de Maxwell, él supo ver que la luz tenía su medida invariante en la marcha que le había asignado el universo, sin tener en cuenta la fuente de procedencia, siempre, y en todas las circunstancias, la luz, correría a 1.080 millones de kilómetros en el vacío espacial.

       En realidad, la velocidad de la luz en el vacío determina nuestro conocimiento del Universo

Así que, desde entonces, la velocidad de la luz es constante y, podemos deducir que, el espacio y el tiempo están en el ojo del que contempla. Cada uno de nosotros lleva consigo su propio reloj, su propio monitor del paso del tiempo que, como sabemos, no es igual para todo, ya que, es relativo en función de las circunstancias que en cada caso se puedan dar. El día que lleguemos a comprender la verdadera naturaleza de la luz, ese día, podremos decir ¡que sabemos!

emilio silvera

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¡NO! Así no podemos avanzar, que nos dejen libres para pensar. La creatividad del pensamiento tiene que estar sólo supeditada al libre albedrío de cada cual. Así ha estado avanzando el mundo desde que…tenemos noticias de todas aquellas civilizaciones que fueron y que, expresaron sus ideas para que nosotros, muchos años más tarde, las pudiéramos desarrollar. Sin aquellos conocimientos no serían posibles éstos.

Qué verdad es, nunca te acostarás sin aprender algo nuevo. Aquí, en este mismo lugar, ocurre eso con frecuencia y, de vuestros comentarios he obtenido a veces conclusiones en las que, por mí mismo, no habría pensado. Como se suele decir, cuatro ojos ven más que dos.

Por ejemplo, en el trabajo que denominé  ¿Qué haríamos sin la Física?, aparte de otras muchas intervenciones, me llamó la atención la de Fandila (14.2.1) en la que se refiere a la fotónica y la cuántica y llega a preguntarse si no debería llamarse “cuantónica”. Kike (14.2.1.1) que entabla el diálogo con él, lleva la conversación al campo del avance de la Ciencia a la que compara con la evolución de las especies. Ambos llevan su parte de razón.

Muchos de los problemas que surgen en campos de la Física moderna han sido abordados mediante su modelado e implementación en ordenadores, donde hay aplicaciones que requieren una enorme capacidad de cálculo. Prácticamente en todas las disciplinas de la Física se requiere obtener soluciones a problemas que consisten en la optimización de funciones en un determinado espacio de búsqueda. En otras palabras, muchas aplicaciones en Física consisten en solucionar problemas de optimización, que en numerosas ocasiones no se pueden abordar con herramientas matemáticas clásicas, debido a la complejidad del espacio de búsqueda, o de la función objetivo, o ambas cosas a la vez.

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“El final de la evolución es catastrófico con una gran explosión, explosión supernova, en la que las capas externas de la estrella son eyectadas con una energía similar a la que producirá el Sol durante toda su vida (aproximadamente 10.000 millones de años).”

Cuando llega ese momento final de una estrella por falta de contrapresión, la gravedad, cada vez más libre para hacer su trabajo, produce finalmente la implosión de la estrella y se produce tanto calor que, como he dicho antes, las capas exteriores explotan por la presión de la radiación, y la implosión queda interrumpida quedando una esfera extremadamente compacta de material nuclear o estrella de neutrones proveniente de  una explosión supernova de tipo II.

El colapso bajo la propia gravedad la lleva a tener una densidad de unos 10¹⁷ Kg/m³; los electrones y protones están tan apretados que se funden y forman neutrones. En este punto conviene aclarar que el objeto en el cual se convierte una estrella finalmente, está directamente conectado a la masa de la estrella.

El astrónomo Kart Schwarzschild hizo un estudio que se conoce como “radio de Schwarzschild”: para las estrellas como nuestro Sol, el final estará en una estrella enana blanca; para estrellas con dos veces y media la masa solar, su destino corresponde a una estrella de neutrones; y si la masa de la estrella es mayor que cinco veces la masa del Sol, la estrella se convertirá en un agujero negro.

Cuanto más masivo es un agujero negro, mayor es el radio de Schwarzschild. Para un agujero negro que venga de un cuerpo de masa M, este radio es igual a 2GM/c², donde G es la constante gravitacional y c la velocidad de la luz. Fue calculado por primera vez por este astrónomo a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

Estos objetos cosmológicos que pueblan el universo tienen propiedades asombrosas. Las estrellas de neutrones, a menudo rotan con impresionante velocidad (más de 500 revoluciones por segundo). Debido a irregularidades en la superficie emiten una señal de radio que pulsa con esa velocidad. Estos objetos fueron descubiertos por la observación de esa señal de radio y por eso se les llamó “púlsares”. En las tablas astronómicas se indican por las letras LGM, que es una reliquia de los tiempos en los que se consideró la posibilidad de que fueran señales de otras civilizaciones extraterrestres.

    Son como faros cósmicos en la inmensidad espacial

Los primeros cálculos realizados por el astrónomo de origen indio Subrahmanyan Chandrasekhar demostraron que un objeto frío y compacto tiene una masa sólo unas pocas veces superior a la del Sol. No importa de qué tipo de materia esté formado, no podrá resistir la presión. La fuerza gravitatoria se hace tan intensa que únicamente la teoría de la relatividad general de Einstein puede decirnos lo que sucederá. Como la fuerza gravitatoria actúa colectivamente sobre todas las partículas de la estrella, sigue siendo débil cuando actúa sobre una sola partícula. Por lo tanto, no hay (aún) necesidad de la Gravedad Cuántica para calcular exactamente la siguiente cadena de sucesos.

Seguramente fue el físico John Archibald Wheel primero en comprender cuál sería el resultado de estos sucesos, y no tenemos la más mínima duda de que llevaba toda la razón. El resultado final de los sucesos es lo que él llamó un agujero negro. Éstos se producen cuando la materia durante la implosión alcanza en un cierto punto la velocidad de la luz.

Entonces se pasa un borde matemático, un punto de no retorno, ni a la velocidad de la luz podría escapar de allí una nave espacial que, sin darse cuenta, traspasara ese punto o borde matemático que llamamos “horizonte de sucesos”. Incluso las señales que intentara emitir serían atrapadas por la fuerza descomunal de atracción del agujero negro, que genera la fuerza de gravedad en su estado puro y de máxima dimensión allí, en el interior del agujero, en lo que se conoce como una “singularidad”. Allí dejan de existir el espacio y el tiempo. La estrella original, a medida que se va contrayendo sobre sí misma para convertirse en un agujero negro, de forma efectiva y real se vuelve negra, hasta desaparecer de la vista de un posible observador que sólo sabe de su presencia. Por la enorme fuerza de gravedad que genera, hasta la luz es engullida por el monstruo.

              Si pudiéramos verlo, así sería el agujero negro. Estas son las primeras fotos obtenidas

El agujero acaba siendo solamente una gran bola de gravedad pura. De hecho, se han detectado y fotografiado estrellas vecinas a un gran agujero negro que, cuando las atrapa y engulle, acaban siendo literalmente desgarradas. Su materia es atraída, pasa el horizonte de sucesos y desaparece en el interior: la negra e invisible singularidad.

Podemos calcular cómo se comportan los chorros de partículas elementales cuando se aventuran cerca de un agujero negro. Stephen Hawking, estudiando este problema, tropezó con una dificultad que al principio consideró simplemente una formalidad: exactamente, ¿Cuándo se considera que algo es una partícula y cuándo puede ser vista como parte del espacio vacío?

Si algo ocupa un nivel positivo de energía, se considera generalmente una partícula, pero cuando el nivel de energía está bajo cero, tiene que ser ocupado y es la ausencia de un objeto en tal nivel lo que se observa como una partícula. Consecuentemente, nos encontramos con que mientras que un astronauta, al caer en un agujero negro, ve el espacio-tiempo a su alrededor vacío, para un observador exterior parece que hay partículas que escapan de ser capturadas por el agujero. ¿Es esto una impresión de la teoría?, fue lo primero que pensó Hawking; y no importa el grado de refinamiento de sus cálculos, siempre parecía obtener un flujo débil de partículas que escapaban del agujero. En ese punto hizo el descubrimiento más importante: ¡esas partículas son reales! Cada agujero negro está emitiendo un flujo constante de partículas de todas las especies concebibles. La intensidad del chorro de partículas es inversamente proporcional al cuadrado de la masa del agujero negro.

Los aspectos que implican la radiación de Hawking son que antes de llegar a los estadios finales el tamaño del agujero negro se hará comparable a la longitud de Planck y toda la masa llegará a ser tan sólo un poco mayor que la masa de Planck. Las energías de las partículas emitidas también corresponderán a la de la masa de Planck. Solamente una teoría completa de la gravedad cuántica podrá predecir y describir exactamente lo que sucede al agujero negro en ese momento.

“La longitud de Planck es la distancia o escala de longitud por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica. Una medida inferior previsiblemente no puede ser tratada adecuadamente en los modelos de física actuales debido a la aparición de efectos de gravedad cuántica.”

Esta es la importancia de los agujeros negros para la teoría de partículas elementales en la longitud de Planck; sería un buen laboratorio ya que todas alcanzarán, por sí mismas, el régimen de energía de los números de Planck, y una buena teoría debe ser capaz de decirnos cómo calcular ese caso. En la teoría de supercuerdas se puede objetar que no nos dice nada de los agujeros negros, y mucho menos de cómo uno de ellos puede comenzar su vida como un agujero de tamaño astronómico y acabar explosivamente.

“Esta teoría reemplaza la singularidad en el centro de un agujero negro postulando que toda la región dentro del horizonte de sucesos es en realidad una maraña de cuerdas, las que la teoría de cuerdas postula que vibran para formar el espacio-tiempo, todas las partículas y fuerzas que conocemos, tanto en las tres dimensiones físicas de espacio como en direcciones compactas (las dimensiones extras están entrelazadas en la espuma cuántica).”

Variantes de la teoría

“Las cinco versiones de la teoría actualmente existentes, entre las que pueden establecerse varias relaciones de dualidad, son: La Teoría de cuerdas de Tipo I, donde aparecen tanto “cuerdas” y D-branas abiertas como cerradas, que se mueven sobre un espacio-tiempo de diez dimensiones.”

 

 

Los teóricos de cuerdas han tratado desenfrenadamente de conseguir el que esta teoría prediga los agujeros negros como cualquier buena teoría de la gravedad, sin embargo, de momento no ha sido posible. Cuanto más se piensa en ello, más importancia parecen tener los agujeros negros en el mundo de lo pequeño.

Cálculos realizados en relación a mini agujeros negros que obedecen tanto a las leyes cuánticas como a las relativistas de la gravedad, han dado resultados sorprendentes. Han aparecido las mismas expresiones matemáticas que las de la teoría de cuerdas.

“El físico italiano Gabriele Veneziano publicó una fórmula matemática para dominarlas a todas… a todas las partículas regidas por la interacción nuclear fuerte… las partículas llamadas hadrones… tanto bariones como el protón y el neutrón, como mesones como el pión y el kaón.”

 

“La teoría de cuerdas nació para explicar los resultados experimentales en la física de los hadrones. En la década de 1960 se descubrieron tantos nuevos hadrones que en lugar de partículas se hablaba de resonancias, como si fueran vibraciones de objetos más fundamentales. Para entenderlos era necesaria una nueva ley física universal.”

“Leonard Susskind, Yoichiro Nambu y Holger Nielsen encontraron en 1970 que el modelo dual de Veneziano describía la interacción entre parejas de cuerdas abiertas y el modelo dual de Virasoro entre parejas de cuerdas cerradas. El misterioso objeto fundamental que vibraba dando lugar a las resonancias en los modelos duales eran cuerdas.”

Reseñas del BLOG DE  Don FRANCISCO R. VILLATORO

Y a todo esto…

“La fórmula para la captura y emisión de partículas por un agujero negro es exactamente igual a la fórmula de Veneziano. Esto resulta extraño ya que no es un tema de cuerdas. La realidad es que la teoría no está acabada y que unos y otros dan palos de ciego buscando el camino que nos lleve a la “buena” teoría, y allí, seguramente, estará la explicación de estas conexiones que hoy aparecen en los números y que no podemos explicar.”

Agujeros de gusano

Quizás algún días nos salven

Si creemos a Stephen Hawking, los agujeros negros son simplemente el principio de una deformación mucho más seria del espacio-tiempo, por ejemplo, su idea del “espacio-tiempo espumoso”. Pero eso no es todo; él y otros, en particular Sidney Coleman de la universidad de Harvard, han especulado con el papel especial que juegan los “agujeros de gusano”, que son conductos en el espacio-tiempo que conectan regiones muy distantes del universo, e incluso, pueden comunicar nuestro universo con otro universo. La formulación de Einstein de la teoría de la gravedad podría admitir tales rarezas.

“Por sorprendente que parezca, la antigravedad es un fenómeno predicho por la teoría relativista de la gravedad de Einstein, en el régimen ultrarrelativista. David Hilbert descubrió a finales de 1915, y publicó en 1917 y 1924, que la solución de Schwarzschild de las ecuaciones de Einstein permite que una partícula que se mueva en un círculo alrededor de una masa a una velocidad mayor que c/√3 puede sufrir una fuerza antigravitatoria (una fuerza gravitatoria repulsiva). Dicha fuerza repulsiva podría servir para acelerar naves espaciales a velocidades relativistas (idea d Felbel físico Franklin

r). Se ha sugerido que podría descubrirse dicha fuerza utilizando los haces de protones del LHC del CERN. Un nuevo artículo, que analiza en detalle la solución de Reißner-Weyl-Nordström para una masa cargada, muestra que no es posible verificar esta fuerza con haces de protones moviéndose en el anillo del LHC a velocidades utrarrelativistas ya que se requiere una partícula con gran masa, que cumpla que m²>q², lo que no ocurre ni con un protón ni con un electrón. La verificación experimental de la antigravedad tendrá que esperar.”

ALBURQUERQUE (EEUU).- Los túneles de protones que existen en laboratorios de EEUU y Europa podrían probar en un par de años la antigravedad, asegura Franklin Felber. Este científico afirma haber resuelto la ecuación de campo gravitatoria formulada por Albert Einstein.

“Mi fórmula es la primera solución en lo que se refiere al movimiento de una masa a la velocidad de la luz”, declara desde Albuquerque (Nuevo México)

 

Hace algún tiempo ya que se pudo leer en la prensa que el físico de EE.UU, Franklin Felber, acababa de dar un paso nuevo en el desarrollo de la teoría de la relatividad general. La clave para viajar a velocidades cercanas a la de la luz podría estar en la solución exacta de una ecuación que planteó Albert Einstein hace casi un siglo: aprovechar las particularidades de la fuerza de la gravedad para enviar naves a otros mundos, a velocidades inconcebibles hasta ahora.

Los resultados de Felber nos dicen que cualquier cuerpo que viajara a un 57’7% de la velocidad de la luz generaría un extraño campo gravitatorio a su alrededor, conocido como antigravedad, que repelería los objetos que se acercaran en lugar de atraerlos. De esta forma, las naves espaciales del futuro podrían emplear los campos de antigravedad como medio de propulsión. Para ello, bastaría con acercarse al área de acción de un objeto que viajara a gran velocidad para ser rechazadas por su fuerza gravitatoria. De acuerdo con los nuevos cálculos, que acaban de presentarse en el Foro Internacional de Tecnología y Aplicaciones Espaciales de Alburquerque, en Estados Unidos, el impulso provocado por un objeto lo bastante grande podría enviar un vehículo hasta zonas inexploradas del universo.

La solución de Felber, la primera que se consigue para masas con velocidades cercanas a la de la luz, también establece que los humanos y el equipo que viajaran a bordo de la nave no sufrirían grandes daños durante la inmensa aceleración provocada por la antigravedad. Además, estos resultados podrían servir para poner a prueba en aceleradores de partículas algunas de las predicciones de la teoría de Einstein.

El hallazgo de Felber, vicepresidente y responsable de la división de física de la empresa Starmark, ha provocado ya algunas controversias, aunque su informe ha sido publicado por el Instituto Americano de Física en su último boletín de conferencias y ha pasado al examen de otros especialistas, pero siempre ha sido igual: cuando surge algo nuevo – aunque sea bueno – surgen los escépticos y detractores.

¿Hasta cuándo estarán dando réditos las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein? ¡Qué maravilla!

Volviendo al tema anterior, los investigadores podrían pensar que, si la teoría de Einstein admite los agujeros de gusano, éstos tienen que existir. Esto se parece a lo que ocurre en mecánica cuántica, en la que todo lo que está permitido sucede obligatoriamente, es decir, si alguna configuración es posible, ésta tiene una probabilidad definida de que en realidad ocurra. Seguramente, el lector de este trabajo habrá visto alguna vez o habrá leído alguna historia de ciencia ficción, y sabrá cómo les gustan a los autores del género los agujeros de gusano. Entran con sus naves en uno situados en nuestra Vía Láctea y, en un instante, salen por otro agujero de gusano situado en Andrómeda, una galaxia hermana situada a más de dos billones de kilómetros de la nuestra.

Hawking y Coleman parece que están a favor de la existencia de dichos agujeros de gusano, sin embargo, otros reputados científicos no creen en tal posibilidad.

Existe un análisis formal de la gravedad cuántica que se realizó en la universidad de Siracusa, en el estado de Nueva Cork, por Abhay Ashtekar. El trabajo fue desarrollado después por los investigadores Lee Smolin y Carlo Rovelli, que propusieron que los ingredientes fundamentales del espacio-tiempo no son puntos sino lazos cerrados. Aunque se parece un poco a lo que vimos en la teoría de cuerdas, ésta es una aproximación completamente diferente; de acuerdo con Smolin y Rovelli, lo esencial es que los lazos están atados en nudos y que fuera de esos nudos no hay espacio-tiempo en absoluto. La teoría de nudos es uno de los temas más difíciles de las matemáticas modernas.

Durante sus excursiones por las matemáticas de la teoría de cuerdas, los especialistas se han encontrado también con el problema del nudo. Edward Witten, uno de los mejores, ha descubierto varios teoremas matemáticos sobre nudos que le han hecho merecedor de la prestigiosa medalla Field, considerada el premio Nobel de las matemáticas, que se otorga cada cuatro años en el Congreso Internacional de matemáticas a jóvenes matemáticos menores de 40 años.

Si alguna de las cuestiones aquí planteadas le parecen asombrosas, no quiero ni pensar lo que pasaría por su mente si contara algunas cuestiones planteadas en congresos y reuniones científicas, que se ha discutido y filosofado sobre saltos cuánticos de un universo a otro (generalmente a través de agujeros de gusano), mundos paralelos en cosmología cuántica.

emilio silvera

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¿Es viejo el Universo?

Anomalías gravitatorias que forman inmensos grumos de materia en las Nebulosas y que comienzan a girar atrayendo más y más material, a medida que se contrae y densifica en el centro, la masa que allí se junta es inconmensurable y, en el centro las temperaturas alcanzar millones de grados que, finalmente, hace que los protones de los átomos de Hidrógeno se fusionen, ¡Ha nacido una estrella!

Esa de arriba que se forma está en Orión.

                     Zeta Ophiuchi la estrella que crea olas en el espacio

La estrella gigante Zeta Ophiuchi está teniendo un efecto “impactante” en las nubes de polvo circundantes a la estrella. Los vientos estelares que fluyen de esta estrella están haciendo ondulaciones en el polvo interestelar a medida que se aproxima a este, creando un arco de choque precioso. Zeta Ophiuchi es una estrella joven, grande y caliente situada a 370 años luz de distancia, estas ondulaciones y filamentos solo pueden verse en luz infrarroja.

                Jóvenes estrellas masivas que emiten radiación con una violencia descomunal

Nuevas estrellas, vientos estelares, radiación, energías, estrellas de neutrones o púlsares, agujeros negros, enanas rojas y blancas, ¿estrellas de Quarks? ¿materia oscura? mundos…¿Civilizaciones?

¡El Universo! Lo que todo lo contiene, ahí están presentes todas las cosas que existen y las que tienen que existir… El espacio-tiempo, las fuerzas fundamentales de la Naturaleza…¡La Vida!

            Los púlsares que, como faros cósmicos, señalan el camino a las naves estelares del futuro

Cuando pensamos en la edad y el tamaño del Universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como y a hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del Universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿porqué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

                                                              Las señales de radio delatan posibles civilizaciones

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales” la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

A lo menos una vez al día, el cielo en su parte alta, es iluminado por un gran destello producido por grandes explosiones de rayos gamma. A menudo, esos destellos alcanzan magnitudes superiores a las que pueden ser generadas por todo un conjunto de otros rayos cósmicos y desaparecen posteriormente sin dejar más rastro. Nadie puede predecir cuando volverá a ocurrir la próxima explosión o de que dirección del cielo procederá. Hasta ahora, no contamos con evidencias duras como para asegurar cuáles podrían ser las fuentes precisas de donde provienen esos rayos gamma que observamos en lo alto del cielo, las razones que ocasionan los grandes destellos y la distancia en la cual ocurre el fenómeno.

La edad actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ masas de Planck

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el Universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del Universo visible ≈10^-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto, es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10^-30 de la Planck

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el Universo está estructurado en una escala sobre humana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones el Universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del Universo en “tics” de Tiempos de Planck, hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

En todas las regiones del espacio interestelar donde existen objetos de enormes densidades y estrellas super-masivas se pueden producir sucesos de inmensas energías y, en regiones de gas y polvo de muchos años-luz de diámetro, es donde surgen los Sistemas solares que contienen planetas aptos para la vida.

¿Por qué nuestro Universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el Universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el Universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre los atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagan infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen series amenazas exteriores.

    Composición de imágenes en la que se muestran a escala ocho asteroides visitados por sondas espaciales.

La mayoría de asteroides, incluyendo Vesta, están en el cinturón de asteroides que se sitúa entre Marte y Júpiter. Otros asteroides giran en círculos mas cerca del Sol que de la Tierra, mientras que un gran número de ellos comparten orbitas planetaria. Dada esta gran variedad de asteroides, algunos particularmente extraños han sido descubiertos en los últimos dos siglos desde que el primer asteroide fuera descubierto (Ceres en 1801).

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una serie y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra habiendo tenido efectos catastróficos. Somos afortunados al tener la protección de la luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta.

La caída en el Planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución, o, por el contrario, evitar que siga cualquier clase de evolución produciendo la extinción total y dejando la Tierra como un planeta muerto.

emilio silvera

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