¡Las leyes físicas! A veces sorprendentes

Algunos  creen que desde que Einstein sacó a la luz su relatividad especial, las leyes de Newton habían quedado olvidadas en un cuarto oscuro y, nada más lejos de la realidad. La física newtoniana siguen utilizándose ampliamente en la vida cotidiana, en la mayoría de los campos de la ciencia y en la mayor parte de la tecnología. No prestamos atención a la dilatación del tiempo cuando hacemos un viaje en avión, y los ingenieros no se preocupan  por la contracción de la longitud cuando diseña la nave. La dilatación y la contracción son demasiado pequeñas para que sean tomadas en consideración.

Por supuesto, podríamos utilizar, si quisiéramos, las leyes de Einstein  en lugar de las leyes de Newton en la vida de cada día. Las dos dan casi exactamente las mismas predicciones para todos los efectos físicos, puesto que la vida diaria implica velocidades relativas que son muy pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.

Las predicciones de Einstein y Newton comienzan a diferir fuertemente sólo cuando las velocidades relativa se aproximan a la velocidad de la luz, Entonces, y sólo entonces debemos abandonar las predicciones de Newton y atenernos estrictamente a las de Einstein. Este es un ejemplo de una pauta muy general. Es una pauta que se ha repetido una y otra vez a lo largo de la historia de la física del siglo XX: un conjunto de leyes (en este caso las leyes newtonianas) es ampliamente aceptado al principio, porque concuerda muy bien con el experimento.

                                                     Líneas del espacio-tiempo           

Pero los experimentos cada vez se hacen más precisos y este conjunto de leyes resultan funcionar bien sólo en un dominio limitado, su dominio de validez (para las leyes de Newton) el dominio de velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz en el vacío. Entonces los físicos se esfuerzan, experimental y teóricamente, para comprender qué está pasando en el límite de dicho dominio de validez, finalmente formulan un nuevo conjunto de leyes que es muy acertado dentro, cerca y más allá del límite (en el caso de Newton, la relatividad especial de Einstein, que sí es válida a velocidades próximas a las de la luz tanto como a más bajas velocidades.

Hoy día, el mundo moderno de la física se funda notablemente en dos teorías principales, la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, aunque ambas teorías parecen contradecirse mutuamente. Los postulados que definen la teoría de la relatividad de Einstein y la teoría del cuanto estan incuestionablemente apoyados por rigurosa y repetida evidencia empiríca. Sin embargo, ambas se resisten a ser incorporadas dentro de un mismo modelo coherente.

Nuevas maneras de sondear la Naturaleza y desvelar sus secretos están en marcha y, más adelante en el futuro, saldrán a la luz nuevas formas y nuevas teorías que, para entonces, sí que se podrán comprobar de manera experimental. Pero sigamos con la relatividad ede Einstein que, en su primera fase, la relatividad especial comienza a fracasar cuando se hace presente la Gravedad de una manera importante, entonces, tiene que ser reemplazada por un nuevo conjunto de leyes que llamamos Relatividad General.

Esta fracasa en presencia de una singularidad interna de un agujero negro y, entonces, debe ser reemplazada por otro nuevo conjunto de leyes que conocemos como Gravedad Cuántica y que aún, no hemos podido dominar.

Einstein  nos decía que el espacio se curva en presencia de grandes masas

Lo cierto que es que, se ha dado una característica sorprendente en cada transición de un viejo conjunto de leyes a otro nuevo: en casa caso, los físicos (si demostraban ser suficientemente inteligentes) no necesitaban ninguna guía experimental que les dijera dónde empezaría a fallar el viejo conjunto, es decir, que les indicara el límite de su dominio de validez. Ya hemos podido ver eso para la física newtoniana: las leyes de la electrodinámica de Maxwell no encajaban bien con el espacio absoluto de la física newtoniana. En reposo en el espacio absoluto (en aquel sistema del éter), las leyes de Maxwell eran simples y bellas -por ejemplo, las líneas de campo magnético no tienen extremo.

En los sistemas en movimiento se vuelven complicadas y feas- las líneas de campo magnético tienen a veces extremos. Sin embargo, las complicaciones tienen una influencia despreciable sobre el resultado de los experimentos cuando los sistemas se mueven., con relación al espacio absoluto, a velocidades pequeñas comparadas con la de la luz; entonces casi ninguna línea de campo tiene extremos.

Sólo a velocidades que se aproximan a la de la luz era previsible que las feas complicaciones tuvieran una influencia suficientemente grande como para ser medidas con facilidad: montones de extremos. De este modo,  eera razonable sospechar, incluso en ausencia del experimento de Michelson-Morley, que el dominio de validez de la física newtoniana podría ser el de las velocidades pequeñas comparadas con la de la Luz, y que las leyes newtonianas podrían venirse abajo a velocidades cercanas a la de la luz.

El LHC es un esfuerzo internacional, donde participan alrededor de siete mil físicos de 80 países. Consta de un túnel en forma de anillo, con dimensiones interiores parecidas a las del metro subterráneo de la Ciudad de México, y una circunferencia de 27 kilómetros. Está ubicado entre las fronteras de Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, a profundidades que van entre los 60 y los 120 metros debido a que una parte se encuentra bajo las montañas del Jura.

Claro que, hablando de lo que nos ocupa, al contemplar la secuencia anterior de conjuntos de leyes (física newtoniana, relativista especial, relativista general, gravedad cuántica, y una secuencia similar de leyes que gobiernan la estructura de la materia y las partículas elementales, la mayoría de los físicos tienen a creer que estas secuencias están convergiendo hacia un conjunto de leyes últimas que verdaderamente gobiernan el Universo, leyes que obligan al Universo a mostrarse como es y comportarse como nosotros vemos que lo hace, que obligan a la lluvia a condensarse en las cristaleras de las ventanas, obliga al Sol a quemar combustible nuclear para convertir lo elemental y sencillo en más complejo que, más tarde tendrá su función determinada, obliga a los agujeros negros a producir ondas gravitatorias cuando colisionan entre ellos, a que las estrellas masivas, al final de sus vidas explotan como supernovas para formar hermosas Nebulosas y conformar nuevos objetos masivos como púlsares, estrellas de neutrones y agujeros negros… Y, por eso…

¡La Gravedad! Siempre está presente e incide en los comportamientos de la materia

Todo esto ha podido ser comprendido con el paso del tiempo y a medida que se sumaban los descubrimientos y los pensamientos de unos y otros, y, por ejemplo, Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde una energía L, su masa disminuye en L/c2. Einstein generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con la ecuación m=E/c2 ( o la más popular E=mc2).

Otras de las conclusiones de la teoría de Einstein en su modelo especial, está en el hecho de que para quien viaje a velocidades cercanas a c (la velocidad de la luz en el vacío), el tiempo transcurrirá más lento. Dicha afirmación también ha sido experimentalmente comprobada.

Todos estos conceptos, por nuevos y revolucionarios, no fueron aceptados por las buenas y en un primer momento, algunos físicos no estaban preparados para comprender cambios tan radicales que barrían de un plumazo, conceptos largamente arraigados.

                            Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas

Claro que, podríamos objetar que, cada conjunto de leyes en la secuencia “tiene un aspecto” muy diferente del conjunto precedente. (Por ejemplo, el tiempo absoluto de la física newtoniana tiene un aspecto muy diferente de los muchos flujos de tiempos diferentes de la relatividad especial.) ¿Por qué,  entonces, deberíamos esperar una convergencia? La respuesta es que hay que distinguir claramente entre las predicciones hechas a partir de un conjunto de leyes y las imágenes mentales que las leyes transmiten (lo que las leyes “aparentan”). Yo espero la convergencia en términos  de predicciones, pero esto es todo lo que finalmente cuenta. Las Imágenes mentales (un tiempo absoluto en la Física newtoniana frente a los muchos flujos de tiempo en la física relativista) no son importantes para la naturaleza última de la realidad.

Se podría objetar que cada conjunto de leyes en la secuencia, tiene su propio su aspecto y que, no tienen porque converger. El mismo conjunto de leyes de Newton tiene un aspecto muy diferente de los muchos flujos de tiempos diferentes de la relatividad especial. En los aspectos de las leyes no existe ningún tipo de convergencia y, desde luego, las características de cada conjunto de leyes, aunque sean diferentes,  no son importantes esas diferencias para el resulta último final de la realidad última a la que la Naturaleza quiere llegar.

Un agujero negro es lo definitivo en distorsión espaciotemporal, según las ecuaciones de Einstein: está hecho única y exclusivamente a partir de dicha distorsión. Su enorme distorsión está causada por una inmensa cantidad de energía compactada: energía que reside no en la materia, sino en la propia distorsión. La distorsión genera más distorsión sin la ayuda de la materia. Esta es la esencia del agujero negro.

En cuanto a la distorsión del espacio y el tiempo, tenemos que Hermann Mynkowski unificaba el espacio y el Tiempo y Einstein lo distorsionaba.

El espacio-tiempo de Minkowski es una variedad lorentziana de curvatura nula e isomorfa a 

donde el tensor métrico puede llegar a escribirse en un sistema de coordenadas cartesianas como:

“Las ideas de espacio u tiempo que deseo exponer ante ustedes han brotado del suelo de la física experimental, y en ello reside su fuerza. Son radicales. En lo sucesivo, el espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo, están condenados a desvanecerse en meras sombras, y sólo un tipo de unión de ambos conservará una realidad independiente: ¡El Espaciotiempo!”

Con esas palabras proféticas Minkiwski reveló al mundo, en septiembre de 1908, un nuevo descubrimiento sobre la naturaleza del espacio y el tiempo. Einstein había demostrado que el espacio u el tiempo eran “relativos”. La longitud de un objeto y el flujo del tiempo eran diferentes cuando se miran desde diferentes sistemas de referencia.

Minkouski comprendió, de manera perfecta, la profundidad y el verdadero mensaje que la teoría de Eisntein llevaba consigo y, habiéndola entendido a la perfección, le expuso al mundo el nacimiento del espacio-tiempo: Ambos, Tiempo y Espacio conformados como un todo.

Hay una historia (adaptada de Taylor y Wheeler (1992) que ilustra la idea subyacente al descubrimiento de Minkowski pero, la dejaré para otra ocasión. El tema de las leyes de Newton, las dos versiones relativistas y la no hallada gravedad cuántica, nos daría para algunos abultados tomos que, no pueden ser escritos aquí

Una cosa está clara: En la Singularidad del Agujero Negro, el Tiempo se paraliza y el espacio se retuerce hasta desaparecer.

emilio silvera