Para ver cómo dimensiones más altas simplifican las leyes de la Naturaleza, recordemos que un objeto tiene longitud, anchura y altura.  Puesto que tenemos libertad para girar un objeto 90º, podemos transformar su longitud en anchura y su anchura en altura.   Mediante una simple rotación, podemos intercambiar cualquiera de las tres dimensiones espaciales.

Ahora bien, si el tiempo es la cuarta dimensión, entonces es posible hacer “rotaciones” que convierten el espacio en tiempo y el tiempo en espacio.  Estas rotaciones tetradimensionales son precisamente las distorsiones del espacio y del tiempo exigidas por la relatividad especial.

En otras palabras, espacio y tiempo se mezclan de una forma esencial, gobernada por la relatividad.  El significado del tiempo como la cuarta dimensión es que pueden hacerse relaciones entre el tiempo y el espacio de una forma matemáticamente precisa.  A partir de entonces, deben ser tratados como dos aspectos de la misma magnitud: el espacio-tiempo.

Así han quedado unificadas las leyes de la Naturaleza al pasar de tres a cuatro dimensiones.

La discusión de la unificación de las leyes de la Naturaleza fue más bien abstracta, y lo habría seguido siendo si Einstein no hubiese dado el siguiente paso decisivo.  Él comprendió que si el espacio y el tiempo pueden unificarse en una sola entidad, llamada espacio-tiempo, entonces quizá la materia y la energía pueden unirse también en una relación dialéctica.  Si las reglas pueden contraerse y los relojes pueden frenarse, razonó, entonces cualquier cosa que midamos con regla y relojes también debe cambiar.

Sin embargo, casi todo en el laboratorio de un físico se mide con regla y relojes. Esto significa que los físicos tendrán que recalibrar todas las magnitudes del laboratorio que una vez dieron por hecho que eran constantes.

En concreto, la energía es una cantidad que depende de cómo midamos las distancias y los intervalos de tiempo.  Un automóvil de prueba que choca a gran velocidad contra una pared de ladrillos tiene obviamente energía.  No obstante, si el veloz automóvil se aproxima a la velocidad de la luz, sus propiedades se distorsionan.  Se contrae como un acordeón y los relojes en su interior se frenan.

Lo que es más importante, Einstein descubrió que la masa del automóvil también aumenta cuando re-acelera. Pero  ¿de dónde procede este exceso de masa?  Y él concluyó que procedía de la energía.

El el LHC un hace de muones lanzados a velocidades relativistas, aumentaron su masa diez veces

Esto tuvo consecuencias perturbadoras.  Dos de los grandes descubrimientos de la física del siglo XIX fueron la conversación de la masa y la conservación de la energía; es decir, la masa total y la energía total de un sistema cerrado, tomadas por separado, no cambian.  Por ejemplo, si el coche veloz choca contra el muro de ladrillos, la energía del automóvil no desaparece, sino que se convierte en energía sonora del choque, energía cinética de los fragmentos de ladrillo que vuelan por los aires, energía calorífica, y así sucesivamente.  La energía total (y la masa total) antes y después del choque es la misma.

Sin embargo, Einstein decía ahora que la energía del automóvil podía convertirse en masa (un nuevo principio de conservación que decía que la suma total de l masa y la energía debe siempre permanecer constante.  La materia no desaparece repentinamente, ni la energía brota de la nada.  En este sentido, la materia desaparece sólo para liberar enormes cantidades de energía o viceversa.

Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc².  Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (C²) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía.  Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química.  La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.

Con dimensiones más altas se encuentra, de manera natural, la cabida para una teoría de Gravedad -Cuántica

Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza.  Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.

Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra.  El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX.  Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.

Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor.  Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein, que esencialmente afirma:

Materia-energía determina ←→ curvatura del espacio-tiempo

Esta ecuación engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el Big Bang, y seguramente el propio destino del Universo.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría.

El Tensor métrico de Riemann sacó a Einstein del Atolladero y pudo publicar su 2ª parte de la Teoría relativista, la de la Relatividad General. Su amigo Marcel Grossman le envió los documentos de aquella conferencia que Riemann  había dado 70 años antes y, allí, se encontró lo que le fataba.

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

¡Qué extraño sería que la teoría final se descubriera durante nuestra vida!  El descubrimiento de las leyes finales de la Naturaleza marcará una discontinuidad en la Historia del intelecto humano, la más abrupta que haya ocurrido desde el comienzo de la ciencia moderna del siglo XVII.  ¿Podemos imaginar ahora como sería?

STEVEN WEINBERG

¿Es la belleza un principio Físico?

La teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del Universo, sin embargo, el problema fundamental radica en que una comprobación de dicha teoría, está más allá de nuestras posibilidades actuales.  De hecho, la misma teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, o 10^{19 GeV}

Miles de millones de electronvoltios, que como sabéis, es alrededor de mil billones de veces mayor que las energías actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

Ya he comentado otras veces que el físico David Gross (el de más edad de los miembros conocidos como el “cuarteto de cuerdos” y autores de la teoría llamada la cuerda heterótica) dijo en una ocasión: “El coste de generar esta fantástica energía, necesitaría el dinero de las tesorerías de todos los países del mundo juntos, y quizá, no llegara.  Es verdaderamente astronómico.”

Siendo así, de momento estamos condenados a no poder verificar experimentalmente este motor (parado) que haría marchar el vehículo de la Física.  La teoría deca-dimensional está paralizada en tres sentidos: el económico, el técnico y el matemático.  El primero por falta de dinero que  nos pudiera construir aceleradores tan potentes como para descubrir la partícula de Higgs, los quarks e incluso las cuerdas vibrantes, esos previsibles y minúsculos objetos primordiales que conforman la materia.  En segundo lugar, las formulaciones matemáticas complejas que, según parece, aún no se han inventado.  Parece que hoy, ni siquiera Witten o Perelman, conocen el secreto de los números mágicos que nos puedan llevar hasta el final del camino iniciado con Einstein y Kaluza-Klein.

Particularmente opino que la teoría de cuerdas nos dará muchas alegrías y que en ella están las respuestas a muchas preguntas que no sabemos contestar. Yo prestaría más atención a las funciones modulares de Ramanujan y a sus números mágicos repetidos una y otra vez en los teoremas encontrados en sus cuadernos perdidos.

Dentro del mundo de la Física, los hay de todas las opiniones: en contra y a favor.  Es famosa la postura detractora del Nóbel Sheldoy Glasgow de Harvard, no quiere ni oír hablar de la teoría de supercuerdas a la que califica de física de Teatro.

Otros muchos, la mayoría, como Murray Gell-Mann, Steven Weinberg (ambos Premios Nóbel) o el mismo.  E. Witten (Medalla Field), opinan lo contrario y ven en esta teoría de dimensiones más altas el futuro de la Física.

Ya sabemos que en física toda teoría debe ser verificada, una y otra vez, en uno y en otro lugar, experimentalmente, obteniendo siempre el mismo resultado, es la única manera de que sea aceptada por la comunidad científica, mientras tanto, la teoría no es fiable y queda a la espera de ser comprobada, verificada sin ningún lugar para la duda.

Sí, estamos tratando de recrear la creación

Pero, ¿Se puede recrear la creación?

La teoría de supercuerdas trata de eso.  Quiere explicarnos todos los misterios del Universo a partir de ese primer momento, ¡la creación!

¿Cuántas y cuántas páginas no habré leído y escrito sobre estos temas fascinantes de los secretos del Universo, las fuerzas que lo rigen, la materia de las Galaxias y de los objetos que lo pueblan?

No podría decirlo.  Sin embargo, hay una cosa que sí puede decir: ¡Cuánto más profundizo en estas cuestiones, cuánto más conocimientos adquiero, más fascinación siento y desde luego, mi capacidad de asombro, más crece!

emilio silvera

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Hay en todas las cosas un ritmo que es parte de nuestro Universo.

                        La princesa Irulan

“Su Alteza Imperial la Princesa Irulan Corrino es la mayor de las cinco hijas del Emperador Shaddam IV y de la Emperatriz Anirul. Irulan es una mujer de gran belleza, cuerpo seductor, elegante y “rostro de belleza patricia, clásico en su altivez” (usando palabras literales de la novela). Mujer muy inteligente, refinada y culta; con un gran talento como escritora y sobre todo como historiadora. Irulan recibió la formación de una miembro de la orden Bene Gesserit (es hija de una B.G.), aunque su falta de disciplina y de verdadera entrega a la orden no le permitieron desarrollar al máximo sus poderes y habilidades. Nunca llegó a experimenta la agonía de la especia.”

Personaje de DUNE

“Hay simetría, elegancia y gracia…esas cualidades a las que se acoge el verdadero artista. Uno puede encontrar ese ritmo en la sucesión de las estaciones, en la forma en que la arena modela una cresta, en las ramas de un arbusto creosota o en el diseño de sus hojas. Intentamos copiar ese ritmo en nuestras vidas y en nuestra sociedad, buscando la medida y la cadencia que reconfortan. Y sin embargo, es posible ver un peligro en el descubrimiento de la perfección última. Está claro que el último esquema contiene en sí mismo su propia fijeza. En esta perfección, todo conduce hacia la muerte.”

De  “Frases escogidas de Muad´Dib”, por la Princesa Irulan.

Está claro que la imaginación nos puede llevar a crear pensamientos de gran belleza al describir nuestra relación con el mundo que nos rodea que nos proporciona los datos que nos permiten construir “historias” de cosas que nunca han pasado. Sin embargo, nadie podría negar que, en cualquier lugar del Universo podrían estar pasando.

Salgamos ahora fuera del espacio-tiempo y miremos lo que sucede allí. Las historias de los individuos son trayectorias a través del bloque. Si se curvan sobre sí mismas para formar lazos cerrados entonces juzgaríamos que se ha producido un viaje en el tiempo. Pero las trayectorias son lo que son. No hay ninguna historia que “cambie” al hacerlo. El viaje en el tiempo nos permite ser parte del pasado pero no cambiar el pasado.

Las únicas historias de viaje en el tiempo posibles son las trayectorias auto-consistentes. En cualquier trayectoria cerrada no hay una división bien definida entre el futuro y el pasado.

Si este tipo de viaje hacia atrás en el tiempo es una vía de escape del final termodinámico del Universo, y nuestro Universo parece irremediablemente abocado hacia ese final, hacia ese borrado termodinámico de todas las posibilidades de procesamiento de información, entonces quizás seres súper avanzados en nuestro futuro estén ya viajando hacia atrás, hacia el ambiente cósmico benigno que proporciona el universo de nuestro tiempo.

Por costumbre, no descarto nada. Si le dicen a mi abuelo hace más de un siglo y medio que se podría introducir un documento en una pequeña máquina y éste aparecería reproducido a cientos de kilómetros de distancia en otra máquina similar llamada fax, desde luego, nunca lo hubiera creído.

                                                   Siempre hay más de lo que a simple vista podemos ver

                                                         Este es el sol si lo pudiéramos contemplar de cerca

Como pregona la Filosofía nada es como se ve a primera vista, todo depende del punto de vista desde el que miremos las cosas. Si varias personas miran la misma cosa desde distintas perspectivas, les podría parecer diferentes.

“Lo primero que hay que comprender sobre los universos paralelos…. es que no son paralelos. Es importante comprender que ni siquiera son, estrictamente hablando, universos, pero es más fácil si uno lo intenta y lo comprende un poco más tarde, después de haber comprendido que todo lo que ha comprendido hasta ese momento no es verdadero.”

Douglas Adams

                                        El Principio antrópico y el lugar del hombre en el Universo

¿Qué vamos a hacer con esta idea antrópica fuerte? ¿Puede ser algo más que una nueva presentación del aserto de que nuestra forma de vida compleja es muy sensible a cambios pequeños en los valores de las Constantes de la Naturaleza? ¿Y cuales son estos “cambios? ¿Cuáles son estos “otros mundos” en donde las constantes son diferentes y la vida no puede existir?

En ese sentido, una visión plausible del Universo es que hay una y sólo una forma para las constantes y las leyes de la Naturaleza. Los universos son trucos difíciles de hacer, y cuanto más complicados son, más piezas habría que encajar.

Los valores de las constantes de la Naturaleza determinan a su vez que, los elementos naturales de la Tabla periódica, desde el hidrógeno número 1, hasta el uranio, número 92, sean los que son y no otros. Precisamente, por ser las constantes y leyes naturales como son y tener los valores que tienen, existen el nitrógeno, el carbono y el oxígeno… y, de paso, también nosotros podemos estar aquí hablando sobre el tema.

Tabla periódica de los elementos en espiral, por Theodor Benfey.

Esos 92 elementos naturales de la Tabla periódica componen toda la materia bariónica (que podemos ver y detectar) del Universo. Hay más elementos como el Plutonio o el Einstenio, pero son llamados elementos transuránicos y son artificiales.

“En química, un elemento sintético (artificial) es un elemento químico que no aparece de forma natural en la Tierra, y solo puede ser creado artificialmente. Hasta el momento, se han creado 24 elementos sintéticos (los que tienen números atómicos 95-118). Todos son inestables, descomponiéndose con vidas medias que van desde 15,6 millones de años a unos pocos cientos de microsegundos.”

 

 

Los elementos naturales se crean en las estrellas y en las explosiones supernovas

¿Qué elementos se formaran dentro de un agujero negro? ¿En que se convierte la materia a esa enorme densidad? Como nunca ha estado nadie en ese lugar, solo podemos suponer lo que allí pueda haber y que forma tomará la materia que llega a la singularidad que tiene densidad “infinita”,  donde el Espacio desaparece yel Tiempo se detiene.

Hay varias propiedades sorprendentes del universo astronómico que parecen cruciales para el desarrollo de la vida en el Universo. Estas no son constantes de la Naturaleza en el sentido de la constante de estructura fina o la masa del electrón. Incluyen magnitudes que especifican cuán agregado está el Universo, con qué rapidez se está expandiendo y cuánta materia y radiación contiene.

                                         Nuestro Universo es como es porque las constantes son las que son

En última instancia, a los cosmólogos les gustaría aplicar los números que describen estas “constantes astronómicas” (magnitudes). Incluso podrían ser capaces de demostrar que dichas “constantes” están completamente determinadas por los valores de las constantes de la Naturaleza como la constante de estructura fina. ¡¡ El número puro y adimensional, 137!!

Gráfico: Solo en el modelo de Universo que se expande de la divisoria crítica (en el centro) se forman estrellas y los “ladrillos” primordiales para la vida. La expansión demasiado rápida no permite la creación de elementos complejos necesarios para la vida.

Si la Densidad crítica supera la masa que vemos en el Universo (más cantidad de materia), el Universo será cerrado y  podría finalizar en el Big Crunch. Aunque, los últimos estudios realizados tienen más a un final por muerte térmica del Universo que llegará al Cero absoluto, es decir -273,15 ºC, cuando ni los átomos se moverçan.

¡Pero sabemos aún tan pocas cosas!

De nuevo tengo que recurrir a Popper:

“Cuanto más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se. Mis conocimientos son limitados, mientras que mi ignorancia es infinita.”

emilio silvera

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