El acercamiento a este extraño elemento constitutivo, sin embargo, desde la perspectiva de la física cuántica (desde la ecuación de Schrödinger para ser más exactos), y gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes, ha revelado la estructura subyacente del conjunto de moléculas aparentemente sencillas del agua, que están formadas “tan sólo” por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

El logro lo ha alcanzado un equipo de científicos de la universidad norteamericana de Delaware y de la Radboud University de Holanda, que han desarrollado un nuevo método para desvelar las propiedades ocultas del agua, y sin necesidad de concienzudos experimentos de laboratorio: simplemente, informática.

Principios fundamentales

Y es que, en teoría, toda la química y la física de la materia a escala macroscópica podría ser descrita íntegramente por una enorme ecuación de Schrödinger aplicable a más de 10²³ átomos de una unidad de materia.

Utilizar esta ecuación y aplicarla de manera eficaz es actualmente posible gracias al uso de ordenadores con una capacidad de cálculo super-potente, que permitirían comprender algunas de las enigmáticas propiedades del agua. Este tipo de herramienta informática de análisis ya se ha aplicado en otros campos, como la meteorología y la mecánica celeste.

Los resultados de la investigación han sido publicados por la revista Science y han sido explicados en un comunicado de la universidad de Delaware. La investigación ha estado liderada por el profesor de física y astronomía de dicha universidad, Krzysztof Szalewicz, que ha colaborado con Robert Bukowski, de la Cornell University, y Gerrit Groenenboom y Ad van der Avoird, del Institute for Molecules and Materials de la Radboud University.

Propiedades extrañas

Todo el mundo sabe que una molécula de agua es H2O, pero, aunque su composición parezca simple, el agua líquida en realidad es mucho más compleja que eso. Por ejemplo, señala Szalewicz, contrariamente a otros líquidos, el agua aumenta de volumen cuando se congela, lo que explica que el hielo flote en el agua. Por otro lado, el agua puede absorber grandes cantidades de calor antes de empezar a calentarse y lo libera lentamente mientras se enfría.

Las características únicas del agua parecen relacionarse con su estructura molecular y con la capacidad de sus moléculas para formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. El hidrógeno de la molécula del agua tiene una carga ligeramente positiva, mientras que la carga del otro extremo de la molécula es ligeramente negativa.

Tradicionalmente se pensó que en el agua en estado líquido cada molécula se coordinaba con una media de otras cuatro moléculas gracias a estos enlaces de hidrógeno. Sin embargo, posteriormente se descubrió que esta coordinación tiene lugar sólo con dos moléculas.

Ambigüedades

 

Todas estas ambigüedades del agua han sido estudiadas desde la mecánica cuántica por Szalewicz y sus colegas, aplicando leyes de la física a un nivel microscópico, allí aparece la vida oculta del agua y todo lo que en ella se esconde.

 

El resultado: los investigadores han conseguido generar un nuevo marco teórico para describir la estructura y el comportamiento de la molécula del agua átomo a átomo, gracias a los ordenadores de última generación, multiprocesadores, capaces de aportar soluciones bastante ajustadas de las ecuaciones de la mecánica cuántica para la descripción de las fuerzas que ejercen unas moléculas del agua sobre otras. Esto debería permitir desvelar el porqué de las extrañas propiedades de este líquido.

                                                      Una gota de agua bajo el microscopio

Con un conjunto de ordenadores Linux funcionando en paralelo, y que realizaron cálculos a gran escala, el estudio tardó varios meses en completarse. El nuevo modelo puede predecir con bastante exactitud, tanto las propiedades de un par de moléculas de agua, como las del agua en estado líquido.

Las aplicaciones de este novedoso modelo, señalan los investigadores, van desde la posibilidad de comprender mejor el agua en diversos estados y en condiciones extremas, hasta el estudio de otros líquidos y sistemas moleculares, el ADN en biología o el llamado plegamiento de proteínas (proceso por el que una proteína alcanza su estructura tridimensional), entre otras.

Noticia de Prensa

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Generalmente las llamamos partículas elementales pero, lo cierto es que, algunas son más elementales que otras. Los físicos experimentadores hicieron un buen trabajo en aquellos antiguos aceleradores de partículas por despejar la incógnita y saber, de una vez por todas, de qué estaba hecha la materia.

Aceleradores y espectrómetros de masa que permiten localizar aquellos objetos más pequeños del Universo, ver de qué forma se constituye la materia y llegar al corazón de los núcleos atómicos.

Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones, alrededor de los cuales orbitan los electrones. Estos tres elementos (protones, neutrones y electrones) constituyen prácticamente toda la materia de la Tierra. Mientras que el electrón se considera como una partícula “sin tamaño”, el protón, que está compuesto de quarks, es un objeto con tamaño específico. Hasta ahora, sólo dos métodos se han utilizado para medir su radio. Basándose en el estudio de las interacciones entre un protón y un electrón, ambos métodos se centran en las colisiones entre uno y otro o sobre el átomo de hidrógeno (constituido por un electrón y un protón). El valor obtenido y que es el utilizado por los físicos, es 0,877 (+ / – 0,007) femtómetros.

                               Masa atómica

Una de las formas como los científicos miden el tamaño de algo es a través de su masa. Los científicos pueden incluso medir cosas muy minúsculas como los átomos. Una medida del tamaño de un átomo es su “masa atómica”. Casi toda la masa de un átomo (más del 99%) está en su núcleo, de manera que la “masa atómica” es realmente una medida del tamaño del núcleo de un átomo.

Los protones son prácticamente del mismo tamaño que los neutrones, y ambos son mucho más grandes que los electrones. Un protón tiene una masa aproximadamente 1.836 veces mayor que la masa del electrón, pero las masas de los protones y neutrones se diferencian menos de uno por ciento. Un protón tiene una masa de 1.6726 x 10^-24gramos. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, conocida a veces como carga elemental, carga fundamental o carga de +1. Los electrones tienen una carga del mismo valor pero de polaridad opuesta, -1. La carga fundamental tiene un valor de 1.602 x 10^-19 coulombios.

                                                      Núcleo atómico

El núcleo de un átomo contiene protones y neutrones. Cada elemento (como el carbono, oxígeno o el oro) tiene diferente número de protones en sus átomos. Los científicos tienen un nombre especial para el número de protones en un átomo. Lo llaman “número atómico”.

¿Por qué es importante el número atómico? Los átomos normales tienen el mismo número de electrones que protones. El número de electrones es lo que hace que cada elemento se comporte de cierta manera en reacciones químicas. De manera que el número atómico, que es el número de protones y electrones, es lo que hace que un elemento sea diferente a otro.

Hace algunos años ya que los físicos se preguntaban: ¿Podrían los protones ser puntos? Y, tratando de saberlo, comenzaron a golpear los protones con otros protones de una energía muy baja (al principio) con el objeto de explorar la fuerza electromagnética entre los dos objetos cargados.

El Acelerador Lineal de Stanford. El SLAC, ubicado al sur de San Francisco, acelera electrones y positrones a lo largo de sus 2 millas de longitud (algo mas de tres kilómetros), hacia varios blancos, anillos y detectores ubicados en su finalización. Este acelerador hace colisionar electrones y positrones, estudiando las partículas resultantes de estas colisiones. Construido originalmente en 1962, se ha ido ampliando y mejorando para seguir siendo uno de los centros de investigación de física de partículas mas avanzados del mundo. El Centro ha ganado el premio Nobel en tres ocasiones.

Si los físicos experimentales de la década de los 60 hubieran podido tener a su disposición el moderno LHC… ¿Dónde estaríamos ahora?

La interacción fuerte es cien veces más intensa que la fuerza eléctrica de Coulomb, pero, al contrario que ésta, su alcance no es en absoluto infinito. Se extiende sólo hasta una distancia de 10^-13 centímetros, y luego cae deprisa a cero. Al incrementar la energía de colisión, los experimentos desenterraron más y más detalles desconocidos de la interacción fuerte. A medida que aumenta la energía, la longitud de onda de los protones (acordémonos de De Broglie y Schrödinger) se encoge. Y, como se pudo ver, cuanto menor sea la longitud de onda , más detalles cabe discernir en la partícula que se estudie.

Acercarse al núcleo atómico para ver lo que contiene dentro de los protones y neutrones

Robert Hofstadter, de la Universidad de Stantanford, tomó en los años cincuenta algunas de las mejores “imágenes” del protón. En vez de un haz de protones, la “luz” que utilizó fue un haz de electrones de 800 MeV que apuntó a un pequeño recipiente de hidrógeno líquido. Los electrones bombardearon los protones del hidrógeno y el resultado fue un patrón de dispersión, el de los electrones que salían en una variedad de direcciones con respecto a su movimiento original. No era muy diferente a lo que hizo Rutherford. Al contrario que el protón, el electrón no responde a la interacción nuclear fuerte. Responde sólo a la carga eléctrica del protón, y por ello los científicos de Stanford pudieron explorar la forma de la distribución de carga del protón. Y esto, de hecho, reveló el tamaño del protón. Claramente no era un punto.

Se midió que el radio del protón era de 2,8 x 10^-13 centímetros; la carga se acumula en el centro, y se desvanece en los bordes de lo que llamamos el protón. Los experimentos se repitieron muchas veces y los resultados, siempre fueron parecidos al hacerlos con haces de muones, que también ignoran la interacción fuerte al ser leptones como los electrones.  (Medidas más precisas llevadas a cabo en nuestro tiempo, han podido detectar, diminutos cambios en el radio del protón que tienen enormes implicaciones. El protón parece ser 0,00000000000003 milímetros más pequeño de lo que los investigadores habían pensado anteriormente, de hecho, y según han comentados los físicos del equipo que hizo el trabajo,  las nuevas medidas podrían indicar que hay un hueco en las teorías existentes de la mecánica cuántica y algo falla en alguna parte.)

                      La imagen tomada en el SLAC, nos choca, todos tenemos en la mente las del LHC

Pero sigamos con la historia. Hallá por el año 1968, los físicos del Centro del Acelerador Lineal Stanford (SLAC), bombarderon los protones con electrones de mucha energía -de 8 a 15 GeV- y obtuvieron un conjunto muy diferente de patrones de dispersión. A esta “luz dura”, el protón presentaba un aspecto completamente distinto. Los electrones de energía relativamente baja que empleó Hofstadter podían ver sólo un protón “borroso”, una distribución regular de carga que hacía que el electrón pareciese una bolita musgosa. Los electrones del SLAC pudieron sondear con mayor dureza y dieron con algunos “personajillos” que “correteaban” dentro del protón. Aquella fue la primera indicación de la existencia real de los Quarks.

Todo avance ha requerido de muchísimo esfuerzo y de lo mejor de muchas mentes. Como podéis ver por la escueta y sencilla explicación aquí contenida, hemos aprendido muchas cosas a base de observar con atención los resultados de los experimentos que la mente de nuestra especie ha ideado para poder descubrir los secretos de la Naturaleza. Hemos aprendido acerca de las fuerzas y de cómo originan sus estructuras complejas, como por ejemplo los protones que no son, tan elementales como en un principio se creía. Los protones (que son Bariones) están formados por tres quarks y, sus primos  (los Mesones) están compuestos por un quark y un anti-quark.

Como nos decía el Nobel León Lederman: “Uno no puede por menos que  sentirse impresionado por la secuencia de ¡semillas dentro de semillas!. La molécula está formada por átomos. La región central del átomo es el núcleo. El núcleo está formado por protones y neutrones. El protón y el neutrón están formados por quarks… ¿hasta dónde llegará esto?

No es fácil conformarse con la idea de que, en los Quarks termina todo. Uno se siente tentado a pensar que, si profundizamos más utilizando energías superiores de las que ahora podemos disponer (14 TeV), posiblemente -sólo posiblemente- podríamos encontrarnos con objetos más pequeños que… ¡como cuerdas vibrantes! nos hablen de la verdadera esencia de la materia que, habiéndonos sido presentada ya, es posible que esconda algunos secretos que tendríamos que desvelar.

         ¡Poder profundizar hasta el límite de Planck con la energía de Planck! ¿Qué encontraríamos allí?

Lo cierto que, de momento, sólo es un sueño y, la energía de Planck está muy lejos de nuestro alcance. Poder contar con la energía de Planck, por el momento y durante mucho, mucho, muchísimo tiempo, será sólo un sueño que algunos físicos tienen en la mente. Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo. El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

Equilibrio y estabilidad, el resultado de dos fuerzas contrapuestas iguales

Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón? y, por no dejar nada en el tintero… ¿Dónde estarán las cuerdas?

                                               Los Bosones de gauge aparecen en la columna derecha

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza (Gravedad),  y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

Claro que las cosas no son tan sencilla y si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas que nos lleven a poder hacer otras preguntas que en este momento, no sabemos ni plantear por falta de conocimientos.  Si no conociéramos que los protones están formados por Quarks, ¿cómo nos podríamos preguntar si habrá algo más allá de los Quarks?

Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultra-débilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman “materia oscura”.

Que aparezcan “cosas” nuevas y además, imaginarlas antes, no es fácil. Recordemos cómo Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta. Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

Claro que, a todo esto, tenemos que pensar en un Universo muy vasto y muy complejo que está dinamizado por leyes y energías que, aunque creemos conocer, nos puede estar ocultando muchas “cosas” que aún no sabemos y, llegar más allá de los Quarks…¡No será nada fácil!

Si pensamos detenidamente lo que hasta el momento llevamos conseguido (aunque nuestros deseos se desboquen queriendo ir mucho más allá), tendremos que convenir en el hecho cierto de que, haber podido llegar al átomo y también a las galaxias es, al menos ¡asombroso! Sabemos de lugares a los que, físicamente (probablemente) nunca podamos ir, la física nos lo impide…al menos de momento en lo relacionado con las galaxias y, de manera irreversible para el “universo cuántico” que sólo podremos sondear con inmensas energías en los aceleradores que nos dirán, lo que queremos saber.

emilio silvera

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                                                                       Agujeros negros – Archivo

Descubren los agujeros negros más masivos del Universo, casi la mitad de la muestra estudiada tenía una masa superior a 10.000 millones de veces la del Sol.

ABC-ciencia

El estudio de 72 galaxias distribuidas en un radio de 3.500 millones de años luz alrededor de la Tierra acaba de desbaratar lo que los astrónomos creían saber sobre el tamaño que pueden alcanzar los agujeros negros supermasivos que albergan en sus centros. El trabajo, recién publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society revela, en efecto, que estos auténticos “monstruos espaciales” son capaces de crecer mucho más, y mucho más deprisa, de lo que se esperaba.

Gracias a los datos recopilados por el Telescopio de rayos X Chandra, de la NASA, un equipo internacional de astrofísicos, dirigido por Julie Hlavacek-Larrondo, catedrática de Astrofísica de la Unversidad de Canadá y la española Mar Mezcua, del Instituto de Ciencias Espaciales del CSIC, ha logrado detectar a los que probablemente sean los agujeros negros más grandes jamás descubiertos hasta ahora. Gigantes espaciales que, además, son capaces de crecer incluso más rápido de lo que lo hace la tasa de crecimiento de estrellas en sus respectivas galaxias.

 

Estudiando 72 galaxias situadas a 3.500 millones de años luz distribuidas alrededor del sistema solar, un grupo de astrónomos han descubierto como se generan los agujeros negros masivos en el núcleo galáctico y llegan a tener enormes masas que los convierten en verdaderos “monstruos galácticos”.

El hallazgo nos ayudará a comprender mejor cómo evolucionan las galaxias, que son los componentes básicos de nuestro Universo, pero deja en el aire una intrigante pregunta: ¿Cómo pueden estos agujeros negros llegar a ser tan increíblemente masivos?

“Sabemos que los agujeros negros son fenómenos extraordinarios – afirma Hlavacek-Larrondo- . Así que no sorprende que los ejemplares más extremos desafíen las reglas que hemos establecido hasta ahora”.

Los investigadores calcularon las masas de los agujeros negros analizando sus emisiones de ondas de radio y rayos X. Y los resultados mostraron que eran aproximadamente 10 veces mayores de lo que se esperaba encontrar según los cálculos previos. Además, se toparon con la sorpresa de que que casi la mitad de los agujeros negros estudiados eran al menos 10 mil millones de veces más masivos que el Sol.

Los objetos más poderosos

“Descubrimos agujeros negros que son mucho más grandes y mucho más masivos de lo previsto -afirma Mezcua-. ¿Pero son tan grandes porque tuvieron una ventaja al nacer o porque ciertas condiciones ideales les permitieron crecer más rápidamente durante miles de millones de años? Por el momento, no hay forma de saberlo”.

 

Tendría sentido pensar que cuanto más grande sea la galaxia, más grande será también el agujero negro que merodea en su centro, pero esta relación ha resultado no ser tan simple como los investigadores pensaban. Muchos de los “super-agujeros negros” detectados, en efecto, estaban en el interior de galaxias que, en teoría, eran demasiado pequeñas para contenerlos.

Para tratar de comprender por qué llegaron a crecer tanto, los investigadores proponen dos hipótesis. O bien nacieron ya grandes, y después formaron o arrastraron a una galaxia a su alrededor; o bien nacieron y crecieron dentro de la galaxia siguiendo un proceso que los científicos no han logrado aún comprender.

Para Hlavacek-Larrondo, los agujeros negros super-masivos “son los objetos más poderosos del Universo. Y para comprender cómo se formaron y evolucionan las galaxias, primero debemos comprender a estos agujeros negros”.

Nota ajena al reportaje:

Cuando Albert Einstein publicó la Teoría de la Relatividad General y se pudieron vislumbrar los agujeros negros… ¡Ni el mismo creía que aquellos “monstruos” pudieran existir.

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Habiendo repasado uno de los trabajos que se pusieron uno de estos días, me ha parecido que no está completo y aquí lo arreglo y lo dejo de manera más amplia para que todos puedan entender el mensaje.

Paul Dirac ocupó la cátedra lucaciana de matemáticas en Cambridge durante parte del tiempo en que Eddington estuvo viviendo en los observatorios. Las historias que se cuentan de Paul Dirac dejan muy claro que era un tipo con un carácter peculiar, y ejercía de matemático las 24 h. del día. Se pudo saber que su inesperada incursión en los grandes números fue escrita durante su viaje de novios (Luna de miel), en febrero de 1.937.

Aunque no muy convencido de las explicaciones de Eddington, escribió que era muy poco probable que números adimensionales muy grandes, que toman valores como 10⁴⁰ y 10⁸⁰, sean accidentes independientes y no relacionados: debe existir alguna fórmula matemática no descubierta que liga las cantidades implicadas. Deben ser consecuencias más que coincidencias.

November 13, 1995 – day of the inauguration of a
commemorative plaque for Paul Dirac,
close to the one for Isaac Newton,
in Westminster Abbey in London

Aquí teneis la hipótesis de los grandes números según Dirac:

“Dos cualesquiera de los números adimensionales muy grandes que ocurren en la naturaleza están conectados por una sencilla relación matemática, en la que los coeficientes son del orden de la unidad”.

Los grandes números de que se valía Dirac para formular esta atrevida hipótesis salían del trabajo de Eddington y eran tres:

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Para los babilonios,  incluso la existencia del universo era un hecho contingente, algo que podía suceder. Estamos aquí porque Marduk ganó su batalla contra el monstruo. Si no hubiera sido así, todavía prevalecería el caos primordial. No hubiera habido ni tierra ni cielos y, por supuesto, seres humanos que se maravillasen ante la creación. Así, los aspectos más importantes del mundo dependen de suscesos a los que no se aplica ninguna ley inmutable.

                                          Marduk y Tiamat. Impronta de un cilindro-sello babilónico

El universo sólo podía ser controlado por los dioses, y los dioses sólo podían ser inducidos a atender a las necesidades humanas mediante el uso de rituales. Sospecho que los “universos de espíritus y dioses” proporcionaban mucha más gratificación emocional a los que creían en ellos de la que nuestro universdo nos proporciona a nosotros que, habiendo llegado a comprender, más que gratificarnos lo que hace es asombrarnos y, sólo nos gratifican los descubrimientos que de la Naturaleza vamos conquistando. Después de todo, el universo de los babilonios era un lugar en el que las cosas que sucedían eran muy humanas.

El atractivo de todas estas viejas creencias (de alguna manera) no ha desaparecido ni siquiera ahora, en nuestro tiempo actual. Una gran parte del movimiento contracultural de los sesenta implicaba un rechazo de la cultura racional y científica de la Norteamérica moderna que comenzaba a florecer con fuerza y una vuelta a una visión más mítica del universo.

No obstante, por muy satisfactorios emocionalmente que fueran los viejos sistemas, dejaba mucho que desear en el terreno intelectual. Batalla o no batalla en el mundo inferior, el Sol sale cada mañana. Los movimientos de las estrellas y de los planetas pueden depender del humor de los dioses, pero son regulares y predecibles. De algún modo, la yuxtaposición de las verdades muy personales y contingentes de los antiguos universos con el comportamiento regular de los cielos parece difícil de explicar, al menos para las mentes del siglo XXI.

Fueron los griegos los primeros que concibieron un universo algo parecido al que concebimos hoy. Sus ideas se caracterizaban por un vivo escepticismo. Por ejemplo,  en una generación anterior a Arquitas, el historiador Heródoto hizo un viaje por Egipto. Le mostraron un templo en el que los sacerdotes ponían comida para el dios todas las noches. La comida había desaparecido siempre por la mañana, hecho que presentaban a Heródoto como demostración de la existencia del dios.

“Yo no ví ningún dios -comentó-, pero ví muchas ratas junto a la base de la estatua.”

¡Es difícil no encontrar simpático a alguien que piensa de ese modo!

Este tipo de mente inquisitiva condujo a los griegos a un universo que era notablemente diferente de los que hemos podido conocer que representaban civilizaciones más antiguas. Y su trabajo era tan impresionante que siguió siendo la versión aceptada de los cielos hasta después del Renacimiento, casi mil quinientos años y, ante eso, me tengo que preguntar: ¿Durará tanto tiempo nuestra actual visión del Universo?

Claudio Tolomeo, es el hombre en el que se piensa siempre como expositor de la astronomía griega, vivió en Alejandría en el siglo II d. C., y trabajaba en el Museo de Alejandría que funcionaba en cierto modo como un moderno centro de investigación y laboratorio gubernamental.

Tolomeo recopiló las mediciones de sus antecesores griegos y babilonios, hizo algunas por sí mismo y utilizó el trabajo previo para producir un modelo de universo que explicara todo lo que había sido observado y, como es natural, si pensamos en los medios que tenía, puso a la Tierra en el centro, mientras que esferas de cristal giraban siendo portadoras del Sol, de la Luna, de los planetas y de las estrellas.

Explicar aquí ahora lo que era el universo telemaico no parece lo más adecuado por lo sabido del tema. Sin embargo, sí es preciso decir que, estaba basado en el supuesto tácito del  geocentrismo, y, aunque algunos científicos griegos, como Pitágoras e Hiparco, sugirieron que el Sol no debería ocupar un lugar central en el cosmos, pocos hicieron caso a sus argumentos.

Después de aquello, como todos con0cemos, llegaron Galileo, Tycho Brahe y Kepler…Newton y Einstein que nos trajeron un Universo muy diferente. Se explicaba las órbitas de los planetas, se descubrió la Gravedad causada por las grandes masas como las galaxias, estrellas y planetas, se habló de cómo se curvaba el espacio-tiempo, se conocieron los cuásares, las estrellas de neutrones y los agujeros negros y, en defintiiva, supimos que estamos en un universo en expansión donde la materia y la energía está representada por la materia y las interacciones de fuerzas que interactúan entre sí.

Es cierto, el acto de explorar modifica la perspectiva del explorador. Así ha sucedido con la investigación científica de los extremos de las escalas, desde la grandiosa extensión del espacio cosmológico hasta el “mundo” infinitesimal y vertiginosamente enloquecido de las partículas subatómicas y del átomo.

La exploración del ámbito de las galaxias extensió nuestro alcance de visión en un factor de 10²⁶ veces mayor que nuestra propia escala humana, y produjo la revolución que llamamos relatividad, la cual reveló que la visión newtoniana del mundo sólo era una imagen local y pequeña en un universo más vasto donde el espacio es curvo y el tiempo se hace flexible. La exploración del dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a unos 10^-15 de la escala humana, y también significó una revolución, la de la física cuántica que vino a cambiarlo todo en ese dominio infinitesimal.

Aunque la semilla la puso Planck en 1900, fue a partir de 1930 cuando la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en estado sólido. La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido de una exactitud notable. Ejemplo de esto último es la increíble precisión de 17 cifras significativas del momento magnético del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica) comparadas con el experimento.

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el que se aprecia cómo un mismo fenómeno puede ser percibido de dos modos distintos. La mecánica cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo- existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominadoss estados cuánticos. De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente la física o más propiamente la mecánica clásica.

¡Qué lejos quedan los babilonios y el universo de Marduk!

¡Qué simple se ve ahora el universo de Tolomeo!

El desarrollo de la relatividad especial creó un escenario nuevo. Una de las conclusiones del trabajo de Eisntein es que ningún objeto -de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase- puede viajar a una velocidad mayor que la de la luz. Sin embargo, como hemos podido leer muchas veces, la teoría universal de la gravedad de Newton, que experimentalmente funciona tan bien y es tan grata para la intuición, habla de influencias que se transmiten en el espacio a grandes distancias instantáneamente. De nuevo fue Einstein el que intervino en el conflicto y lo resolvió ofreciendo un nuevo concepto de la Gravedad en su teoría general de la relatividad.

Así, nuestro mundo cambió de nuevo y ahora, se rige por estas dos leyes: Cuántica y Relativista que son las que marcan las pautas de la Ciencias físicas y Cosmológicas. ¿Cómo veremos el Universo dentro de un milenio? Seguramente nos parecerá el universo de hoy, tan atrasado como nos parece hoy el de Tolomeo.

No es sólo que el Espacio y el Tiempo estén influidos por el estado del movimiento del observador, sino que, además, pueden alabearse y curvarse como respuesta a la presencia de materia o energía. Tales distorsiones en la estructura del Espacio y el Tiempo, transmiten la fuerza de Gravedad de un lugar a otro que, más cercano o más lejano, recibe la influencia de esta fuerza fundamental. Así que, desde entonces no se puede ya pensar que el Espacio y el Tiempo sean un telón de fondo inamovible e inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo; al contrario, según la relatividad especial y la relatividad general, son actores de primera fila que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de todos los hechos que en el universo ocurren.

Una vez más  el modelo se repite: el descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. A lo largo de tres décadas a partir de 1900, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas  evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico.

En el Modelo Estándar no cabe la Gravedad

Como he mencionado anteriormente, el tercer conflicto, el más trascendental, surge de la incompatibilidad entren la mecánica cuántica y la relatividad general. La forma geométrica ligeramente curvada del espacio, que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica.

    Un amigo tiene en sus manos la teoría luz-luz… ¿Será el futuro?

Y, volvemos otra vez al principio: Tenemos que persistir en aquellos trabajos de los años ochenta, cuando se presentó la solución que ofrecía la teoría de cuerdas para este tercer conflicto o problema. En realidad, es el mayor conflicto que se nos presenta en la física moderna. Necesitamos ya, para poder explicar muchas cosas y seguir avanzando, una teoría cuántica de la gravedad. Estamos parados, no podemos avanzar como sería deseable y, desde luego muchas son las iniciativas que se intentan: Teoría de Cuerdas, Teoría Luz-luz (energía-masa) y otras muchas que están, en la mente de los mejores físicos del mundo pero que no acaban de germinar.

Esperemos que pronto salgan a la luz esas ideas y pensamientos que nos lleven hacia una ciencia física del futuro en la que, nuevos paradigmas vengan a jubilar (cariñosamente lo digo) a estas dos que ahora son el soporte de todo: ¡Cuántica y Relatividad! y, me pregunto yo: ¿Habrá algo más después de esas dos teorías que, llevando un siglo en el candelero, piden a gritos que las jubilemos?

Mi abuelo tenía un cabrito, dijo que lo iba a matar, que del pellejo haría un pandero…

¡Lo que sea sonará!

emilio silvera

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