Investigadores proponen una solución a algunos problemas de la Física Cuántica, como los viajes en el tiempo o la paradoja del abuelo

Las curvas temporales abiertas podrían resolver muchos problemas de la Física – NPJ QUANTUM INFORMATION

El debate sobre la viabilidad física de las líneas de tiempo es complejo, con físicos divididos sobre si las trayectorias abiertas son más plausibles que las cerradas. La ausencia de voisitantes del futuro argumenta contra las curvas cerradas CTCs), pero las líneas abiertas, al bloquear mensajes, evitan la paradoja.

• Curvas Cerradas de Tipo Tiempo (CTCs): Son trayectorias donde un objeto vuelve a su propio pasado, teóricamente permitiendo viajes en el tiempo, pero generan paradojas lógicas.
• Argumento de los Visitantes: La falta de observadores del futuro sugiere que las CTCs no son físicamente realizables en nuestro universo.
• Líneas de Tiempo Abiertas: A diferencia de las cerradas, estas trayectorias no se buclan, bloqueando mensajes del futuro y evitando la paradoja de la abuela, lo que para algunos físicos las hace más “físicas”.
• Visión Científica: La investigación teórica continúa analizando cómo las ondas gravitacionales y la materia oscura podrían alterar nuestra comprensión de la causalidad, explorando analogías físicas más allá de la relatividad clásica, como se detalla en estudios sobre analogías y conexiones en la física. 

Emilio Silvera V.

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La inteligencia puede ser algo tan raro en la evolución como la trompa del elefante – Adobe Stock

¿Por qué en otros planetas debería haber más inteligencias como la nuestra?

“Paul Davies (nacido en 1946) es un destacado físico, cosmólogo y astrobiólogo británico,  reconocido por su labor divulgativa y su trabajo en la Universidad Estatal de Arizona, donde dirige el Beyond Center. Experto en la búsqueda de vida extraterrestre, ha ganado el Premio Templeton (1995) por sus escritos sobre ciencia y teología. “

El físico y escritor Paul Davies explica en un artículo cómo la Ciencia trata de averiguar si estamos o no solos en el Universo.

“Encontraremos señales de formas de vida simples fuera de la Tierra en los próximos años”, seguramente enalguna de las muchas  “lunas” de Saturno y Júpiter. La Vida en el universo se abre paso como lo hizo aquí en la Tierra, y, teneindo el conocimiento de la existencia de los extrtemófilos, ¡porqué vamos a dudar que abran surgido en otros ambientes?

El nuevo responsable de ciencia de la Agencia Espacial Europea habla sobre los grandes objetivos de la agencia, la exploración de mundos habitables y el estudio del universo con métodos inéditos.

 

GÜNTER HASINGER | DIRECTOR CIENTÍFICO DE LA ESA

La exploración espacial no es un trabajo para impacientes. Cuando Rosetta logró interceptar al cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko, en 2014, había pasado ya una década desde su lanzamiento desde la Guayana Francesa y diez años más desde que su construcción fue aprobada. A esas dos décadas habría que sumar el tiempo de diseño de la propia misión. Hace unos días, Günter Hasinger (Oberammergau, Alemania, 1954), el nuevo director de ciencia de la Agencia Espacial Europea (ESA), presentaba en Madrid los próximos Rosetta, esto es, la visión de Europa para el futuro de la exploración espacial. El próximo mes de noviembre, en Sevilla, se celebrará la reunión de ministros de los Estados miembros de la agencia que decidirán sus objetivos para los próximos años.

Respuesta. En primer lugar, tenemos que dejar claro qué consideramos vida. Tenemos que diferenciar entre formas de vida simples, como las algas o las bacterias, que han hecho del nuestro un planeta habitable terraformando la Tierra durante miles de millones de años y produciendo el oxígeno para que otras formas de vida puedan existir, y la vida inteligente. Unos pocos cientos de millones de años después de la formación de la Tierra ya existían las primeras formas de vida, pero la aparición de formas más complejas requirió 3.000 millones de años más, así que las primeras serán mucho más abundantes.

Por otro lado, en la Tierra hemos encontrado vida en muchos lugares inesperados, en el hielo de los glaciares o bajo el manto terrestre. Ahora sabemos que la biomasa total bajo la superficie de la Tierra es mayor que la biomasa sobre nosotros. Hay bacterias y otros organismos que viven de la desintegración radioactiva así que tienen ciclos vitales completamente diferentes de los que estamos acostumbrados. Y además hay otro factor: cuando hemos estudiado cometas, se ha encontrado un gran número de moléculas orgánicas. Hay gente que dice que la atmósfera de los cometas apesta como un establo de caballos y para mí eso significa que los ladrillos básicos de la vida, los pequeños elementos necesarios para crear vida, ya existen en cometas y otros lugares.

Creo que debería haber formas simples de vida ahí fuera, el problema es cómo detectarla. Por ejemplo, creemos que había vida en Marte hace miles de millones de años, que había agua líquida en la superficie, pero hoy está esterilizada por la radiación cósmica, así que todas las formas de vida que pudiesen haber existido en la superficie han desaparecido. Para encontrar vida, tienes que perforar el suelo. Y algo parecido sucede cuando miras, por ejemplo, a Encélado o Europa, las lunas heladas de Saturno y Júpiter. Creemos que podría haber vida bajo una capa de un kilómetro de hielo, en un océano líquido al que es muy difícil llegar. La pregunta no es tanto si descubriremos vida sino cuán difícil será descubrirla.

Cuando hablamos de exoplanetas, la mera existencia de oxígeno en una atmósfera ya indica que se ha producido algún tipo de terraformación y que tiene que haber bacterias que crean oxígeno porque el oxígeno no viene del espacio exterior. En los próximos diez o veinte años creo que encontraremos señales de formas de vida simples fuera de la Tierra. La cuestión de si encontraremos vida inteligente es completamente diferente. Yo creo que hay vida inteligente ahí fuera, pero está tan lejos que no hay posibilidad de comunicarnos con ella.

 ¿Qué misiones específicas pueden realizar estas detecciones?

Las dos lunas de Marte son Fobos y Deimos. Estas lunas de Marte podría ser asteroides capturados del cinturón principal de asteroides situado entre Marte y Júpiter. Tanto cerca de la órbita de los satélites a su planeta, unos pocos miles de kilómetros de ella, 9.377 kilómetros de Fobos y Deimos 23.460 kilómetros. El diámetro de Marte es sólo 6.792 kilómetros.

Ambas lunas están vinculados a Marte por las fuerzas de marea, por lo que siempre muestran la misma cara a su planeta, como lo hace la Luna respecto a la Tierra. Creo que la primera oportunidad que tendremos es la misión de recuperación de muestras de Phobos [la luna de Marte] con MMX. En los próximos años traeremos material del sistema marciano. Creo que Exomars2020, cuando tengamos el rover, también será un comienzo. Otra posibilidad es analizar los penachos de lunas como Europa o Encélado que surgen a través de las grietas en el hielo y géiseres en los que el agua podría arrastrar algún tipo de material orgánico, aunque por el momento no tenemos instrumentos para hacer esos análisis.

ARIEL, un observatorio espacial para analizar las atmósferas de los planetas extrasolares en detalle. ARIEL (Atmospheric Remote‐sensing Infrared Exoplanet Large‐survey mission) fue presentada hace tres año entre muchas otras misiones candidatas. Con esta ya son tres las misiones de la ESA dedicadas en exclusiva a la astromomía exoplanetaria, después de CHEOPS, un pequeño observatorio para caracterizar mejor el tamaño de exoplanetas previamente descubiertos, y PLATO, un cazador de nuevos planetas que usará el método del tránsito.

Después, hay misiones como Ariel, que hacen espectroscopía de las atmósferas de exoplanetas y que podrían encontrar biomarcadores. Apostaría a que eso puede suceder en los próximos diez o veinte años.

¿Qué grandes descubrimientos podemos esperar de Lisa y Athena?

R. Creo que Lisa y Athena abordan preguntas fascinantes sobre la naturaleza de los agujeros negros, de la materia oscura y de todo el universo oscuro. Ahora, con el interés despertado por los observatorios de ondas gravitacionales terrestres, hay un interés renovado en cómo se forman los agujeros negros y lo que sucede cuando se funden. Esto también puede servir para comprender la materia oscura. Sabemos que existe, pero no tenemos ni idea sobre qué partículas la forman. Tampoco entendemos de dónde vienen los agujeros negros, vemos los cuásares primitivos, en el universo temprano, donde ya hay agujeros negros, y no sabemos de dónde vienen. Y hay una especulación que es emocionante, aunque no haya acuerdo sobre si es plausible, y es si los agujeros negros son en realidad parte de la materia oscura, si los agujeros negros están contribuyendo o incluso son básicamente la materia oscura.

Eso son cuestiones que pueden ser estudiadas por Lisa y Athena. Porque Lisa y Athena encontrarán las fusiones de agujeros negros en el universo muy temprano y podrán estimar cuántos hay y si están conectados a la luz y a la materia normal. Creo que las próximas dos décadas estarán dominadas por el estudio de los planetas extrasolares, pero los veinte siguientes volverá la ciencia gravitacional que nos ayudará a entender lo que sucedió en el origen del universo.

P. Usted está interesado en Oumuamua, el primer objeto llegado de fuera del sistema solar que se ha podido observar. ¿Está de acuerdo con los investigadores de Harvard que aseguran que es, probablemente, un artefacto construido por seres inteligentes?

R. Creo que si lees el artículo que publicaron, no afirman realmente que se trate de algo artificial sino que no se puede descartar que sea un objeto artificial. Pero entonces la prensa tomó esta afirmación y dijo que astrofísicos de Harvard decían eso. Desde mi punto de vista, se referían a una idea que ha sido discutida desde hace tiempo sobre la posibilidad de viajar a otros planetas con una vela solar. Algo relacionado con la iniciativa Breakthrough Starshot en la que Stephen Hawking, antes de morir, también se involucró. Consistía en enviar un artefacto como un smartphone con una gran vela solar. Cuando lo impulsas con un rayo láser, puedes acelerarlo hasta una fracción de la velocidad de la luz y así podrías llegar a la estrella más cercana en poco tiempo.

Estamos situados en una región muy tranquila de la Vía Láctea, en el interior del Brazo de orión a 27.000 a. l. del centro.

Soy escéptico sobre esta tecnología, porque la vela tiene que ser una estructura extremadamente fina y muy grande, de cientos de metros. Tienes que propulsarla con un rayo láser y la cantidad de energía que necesitas para acelerarla es tan grande que básicamente freirías la vela en lugar de acelerarla. Pero supón que hay una civilización que ha superado este problema de la vela solar y no se quema. Entonces, en principio, podrías enviar una sonda hasta otra estrella. Pero si esto fuese así, Oumuamua se estaría moviendo demasiado despacio. Se mueve a unos 30 kilómetros por segundo cuando con una vela solar se estaría moviendo a unos 10.000 kilómetros por segundo.

Además, hay explicaciones naturales bastante creíbles. No hemos visto una cola de cometa, así que debe ser un tipo especial de cometa que no hemos visto en el sistema solar. Eso se podría explicar por el hecho de que lleva viajando millones o cientos de millones de años, y quizá ha perdido la mayor parte de su gas porque está pasando junto a una nueva estrella cada millón de años aproximadamente. Hay explicaciones naturales al fenómeno aunque no las comprendamos del todo.

P. Incluso aunque en los próximos años encontremos señales de vida en un planeta extrasolar, en el universo todo está tan lejos que nunca lo podríamos visitar.

 Si piensas en una escala humana, es imposible que en una vida llegues a ningún sitio. Pero si tienes una civilización inteligente capaz de construir robots y estos robots van a otro planeta, y después estos robots pueden construir una fábrica que construya más robots, puedes producir un efecto bola de nieve y en unos pocos cientos de millones de años podrías poblar con robots todos los planetas de la galaxia. Así que hay quien se plantea que como estos robots no han llegado a la Tierra, podemos pensar que no hay ninguna civilización en la galaxia con esa capacidad, porque si la hubiese ya estarían aquí. Pero en principio sería posible si no se piensa poblar la galaxia en una generación humana sino durante la vida una civilización completa. Así que el factor final es la longevidad de nuestra civilización. Si matamos nuestro planeta de aquí a mil años, no habrá posibilidad de comunicarse con otras civilizaciones, en particular si ellos tampoco saben cuidar sus planetas.

No creo que estemos solos en el Universo, y, si lo estamos, ¡qué desperdicio de mundos!

Hasta hace poco, la cuestión de si estamos o no solos en el Universo no formaba parte de la discusión científica. En su lugar, filosofías y religiones se encargaban de buscar respuesta a esta pregunta, una de las más antiguas y profundas de cuantas se ha formulado la Humanidad.

Sin embargo, la cosa ha cambiado. Y mucho. La Ciencia, en efecto, ha irrumpido con fuerza en un territorio que antes era solo metafísico, y ha demostrado que, armada con el método científico, tiene mucho que decir al respecto. Ahí están los más de 4.000 planetas descubiertos hasta ahora fuera del Sistema Solar, algunos de ellos con intrigantes similitudes con la Tierra; o el hallazgo de materia orgánica prácticamente por todas partes, incluso en los rincones más insospechados y hostiles del Universo; o la búsqueda sistemática e incansable de formas de vida en lugares como Marte, Europa, Encelado… o Plutón.

Un equipo de astrónomos de la India ha identificado un supercúmulo de galaxias, posiblemente el más lejano que se conoce, situado en la dirección de la constelación de Piscis. La investigación sugiere que Sarasvati es una de las mayores estructuras del universo.

La estadística, además, habla claro. En un Universo que tiene billones de galaxias y trillones de estrellas, muchas de ellas con planetas a su alrededor, resulta absurdo pensar que la vida sólo haya podido florecer en uno, el nuestro. Y aunque no tenemos aún ni idea de cómo (ni dónde) la vida se estrenó en primer lugar, muy pocos dudan en la actualidad de que “ahí arriba”, en alguna parte, existen planetas “gemelos” a la Tierra, con múltiples formas de vida y quizá, solo quizá, también con especies inteligentes.

En un brillante artículo recién publicado en la revista Cosmos, el físico y escritor británico Paul Davies, director del prestigioso instituto Beyond de la Universidad Estatal de Arizona, reflexiona sobre la cuestión y se pregunta, con la Ciencia en la mano, si realmente la inteligencia es una consecuencia inevitable de todo proceso evolutivo.

“Durante 50 años -escribe Davies- una banda de astrónomos heróicos ha estado barriendo los cielos con sus radiotelescopios con la esperanza de tropezar con un mensaje emitido por una civilización extraterrestre“. El científico añade que esa empresa “se basa en el supuesto de que la inteligencia es un producto esperado de la evolución biológica. ¿Pero es así realmente?”

Para tratar de responder esa pregunta, Davies echa un vistazo al pasado de nuestro propio planeta, la única muestra de vida que conocemos, y se fija en cómo ha sido la historia de la evolución. “Algunas características, por ejemplo los ojos y las alas, han evolucionado de forma independiente muchas veces, probablemente porque aportan mucho valor a la supervivencia. Por lo tanto, podríamos esperar que la vida extraterrestre también posea estas características. Pero otras, sin embargo, como la trompa del elefante, parecen ser más bien aberraciones barrocas, resultado de raros accidentes evolutivos”.

Y llegamos así a la inteligencia humana. ¿Es esta característica similar a los ojos y las alas, compartidas por muchas especies, o se parece más a la trompa del elefante?

Tener el tiempo suficiente

Los dinosaurios, escribe Davies, dominaron la Tierra durante 200 millones de años (diez veces más de lo que llevamos nosotros), pero nunca construyeron herramientas, levantaron ciudades o conquistaron la Luna. Lo cual lleva a pensar que la inteligencia humana es algo raro, y no un producto inevitable de la selección natural. “Y si es así -bromea el físico- eso son malas noticias para SETI“.

Para Davies, lo que aquí está en juego es el propio concepto que tenemos sobre lo que es la evolución. Algunos piensan que existe una dirección en los procesos evolutivos, una “flecha” que parte de los organismos más simples y avanza hasta llegar a los más complejos. En este sentido, el ser humano ocuparía la posición más alta en la escala evolutiva. Demos a la evolución el tiempo suficiente, dicen los partidarios de esta idea, y nos llevará hasta la inteligencia.

Si nos guiamos por la lógica y la estadística, pensar en la vida situada sólo en la Tierra… ¡Sería una temeridad! El UNiverso es igual en topdas partes, en todas sus regiones rigen las mismas leyes, lo que pasa en un sitio también pasará en otro… La vida se adapta y surge en las precisas condiciones.

La mayoría de los científicos, sin embargo, no creen que la evolución se esté dirigiendo a ningún sitio en particular. “No hay una flecha del tiempo incorporada -dice Davies- no hay un impulso innato hacia la complejidad o la inteligencia“.

Hace apenas unos días, en una entrevista concedida a ABC, el paleoantropólogo Juan Luis Arsuaga también aseguraba que “mucha gente cree que la vida va progresando, desde las bacterias hasta nosotros, pero no es así. Yo soy de los que opinan que la única tendencia apreciable de la evolución es la diversificación. Partimos del espacio disponible y se aprovechan todas las oportunidades. La vida no tiene dirección, pero tiene mucha capacidad de adaptación, y va cambiando”.

Más allá de las teorías sobre el origen de la vida, los signos de vida más antiguos sobre el planeta hasta ahora han sido hallados. Según un equipo de investigación dirigido por David Wacey, un complejo ecosistema de microbios encontrado en las rocas sedimentadas en la región australiana de Pilbara podría ser nada menos que la primera manifestación de vida en la Tierra.

 

Davies, en su artículo, se muestra en sintonía con esta opinión: “Es cierto que la vida en la Tierra comenzó con microbios simples, pero el surgimiento de una mayor complejidad fue simplemente el producto de una exploración serpenteante en el vasto espacio de posibilidades biológicas, y no una tendencia sistemática”.

“Todo lo cual – prosigue el científico- arroja serias dudas sobre si, incluso en un Universo repleto de vida, puede haber civilizaciones alienígenas avanzadas capaces de enviar mensajes de radio“.

Queda una esperanza

Toda la vida que conocemos en la Tierra está basada en el Carbono, es probable que si alguna vez la encontramos (o nos encuentran “ellos” a nosotros), sus formas de vida también estén relacionadas con este elementos que, según parece es la base mejor adaptada y maleable para ello.

 

Sin embargo, y a pesar de todo, nos queda aún una esperanza. Y es que la teoría de la evolución no está, ni mucho menos, completa. Y durante los últimos años algunos biólogos se han atrevido a desafiar el dogma darwinista dominante de que la evolución no sigue una dirección concreta.

De hecho, explica Davies, “se han identificado varios mecanismos según los cuales las características adquiridas durante la vida de un organismo parecen transmitirse a su descendencia, en un proceso conocido como herencia epigenética“.

Si eso fuera cierto, y resultara que la herencia epigenética juega un papel importante en la evolución de los cerebros, entonces sería posible imaginar una especie de “cociente cerebral acelerado”.

“El registro fósil -escribe Davies- apunta a una tendencia alcista en el cociente de encefalización, una medida del tamaño del cerebro en relación con la masa corporal, entre los homíninos de los últimos millones de años. Y asumiendo que algo así funcionara también en otros planetas, tal vez no estemos tan solos después de todo, otra cosa es que podamos llegar a “ellos” o que “ellos” lleguen a nosotros.

Para finalizar diré que, la posibilidad de que algún día podamos contactar con seres inteligentes… ¡Es muy remota,  casi nula! Las distancias que nos separan, la hostilidad del Espacio, la conformación física de los seres adecuadas a sus propios mundos… la imposibilidad de viajar más rápido que la luz… ¿Y muchas otras barreras que no podemos traspasar!

Emilio silvera V.

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               Energía y Masa son dos aspectos de la misma cosa

Un gramo de Uranio, de Osmio, de Hierro, o de Oro, contienen una cantidad asombroisa de Energía: E = mc².

Efectivamente, la ecuación de Albert Einstein (E = mc²) establece que la masa y la energía son equivalentes y proporcionales, lo que significa que la materia puede considerarse “energía extremadamente condensada”.

Para un solo gramo de cualquier sustancia (sea uranio, oro o hierro), la energía contenida es de aproximadamente 9 x 10¹³ julios, lo cual equivale a la energía liberada por la explosión de 21,5 kilotones de TNT (una potencia similar a la de la bomba de Nagasaki).

 

La fórmula utiliza la velocidad de la luz al cuadrado c². Dado que , su cuadrado es un número inmenso: Dado que c ≈ 3 x 10⁸ m/s, su cuadrado es un n´numero inmenso.

c² ≈ 9 x 10¹⁶ m²/s²

Este valor actúa como un factor de conversión gigantesco, lo que explica por qué una masa minúscula produce una energía colosal.

Para realizar el cálculo en el Sistema Internacional, convertimos 1 gramo a kilogramos ( 0,001 Kg.).

E=0,001 Kg x (3 x 10⁸ m/s².

E = = 0,001 x 9 x 10¹⁶.

E = 9 x 10¹³ julios.

Es fascinante notar que, a nivel de masa total, no importa el elemento químico. Un gramo de hierro tiene la misma energía en reposo que un gramo de uranio. La diferencia radica en la facilidad para extraer esa energía:

• En química: Solo se libera una fracción ínfima (millonésimas) al romper enlaces electrónicos.
• En física nuclear (fisión/fusión): Se libera una fracción mayor (cercana al  0,1%  – 0,7%) al alterar el núcleo.
• Aniquilación materia-antimateria: Es el único proceso que convertiría el 100% de ese gramo en energía pura.

En lo que al Uranio se refiere, en la Tierra, solo el 7 por 1.000 es Uranio 235, es decir, rel que se puede fisionar en las centrales nucleares, el resto es uranio 238, inservible para la fisión. Sin embargo (es un principio), en nuestra especie, la necesidad agudiza el ingenio, y, hemos llegado a urtilizar un Reactor Generador en cuya base ponemos 800 Kgs. del uranio 238, lo bombardeamos con neutrones lentos de 8 Kgs. de uranio 235, y, al finasl del proceso… ¡Los inservibles 800 Kgs. de uranio 238 (inservibles como combustible nuclrear de fisión), se han convertido en 800 Kgs. de Plutonio (totalmente aptos mpara la fisión nuclear).

¿Por quéno trabajaremos en la misma forma para conseguir otros objetivos como curar enfermedades, construir estructuras e  instalaciones en aquelolos países desolados por el hambre?

Bueno, “pasó la mosca” y la seguí, siempre me pasa lo mismo.

El resumen de todo esto es que, la asombrosa cantidad de energía encerrada en un gramo de materia, fue descubierta al mundo, por aquel oscuro oficvial de la Oficina de Patentes de Berna, que con tan solos 4 publicaciones, puso al mundo de la Física “patas arriba”, fué el elefante que entró en la cacharrería.

De hecho, muchas de sus ideas no han sido superadas, y, la Cosmología moderna (que tiene más de 100 años), se rige por la Relatividad General y sus asombrosas ecuaciones, un proceso maravilloso y asombroso de una Mente Humana.

Emilio Silvera V.

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Las constantes universales más importantes que determinan la estructura, evolución y apariencia de nuestro universo (un concepto conocido como ajuste fino o fine-tuning) son aquellos parámetros físicos que, de variar mínimamente, habrían dado lugar a un universo estéril, sin estrellas, galaxcias o la química compleja que sostiene y hace posible la presencia de la Vida.

Los parámetros que escenifican el Ajuiste Fino del Universo

Está muy claro que, nuestro mundo es como es, debido a una serie de parámetros que, poco a poco, hemos ido identificando y hemos denominado Constantes de la Naturaleza. Esta colección de números misteriosos son los culpables, los responsables, de que nuestro universo sea tal como lo conocemos que, a pesar de la concatenación de movimientos caóticamente impredecibles de los átomos y las moléculas, nuestra experiencia es la de un mundo estable y que posee una profunda consistencia y continuidad.

Sí, nosotros también hemos llegado a saber que con el paso del tiempo, aumenta la entropía y las cosas cambian. Sin embargo, algunas cosas no cambian, continúan siempre igual, sin que nada les afecte. Esas, precisamente, son las constantes de la naturaleza que, desde mediados del siglo XIX, comenzó a llamar la atención de físicos como George Johnstone Stoney (1.826 – 1.911, Irlanda).

Parece, según todas las trazas, que el universo, nuestro universo, alberga la vida inteligente porque las constantes de la naturaleza son las que aquí están presentes, cualquier ligera variación en alguna de estas constantes habría impedido que surgiera la vida en el planeta que habitamos. El universo con las constantes ligeramente diferentes habría nacido muerto, no se hubieran formado las estrellas ni se habrían unido los quarks para construir nucleones (protones y neutrones) que formaran los núcleos que al ser rodeados por los electrones construyeron los átomos que se juntaron para formar las moléculas y células que unidas dieron lugar a la materia.  Esos universos con las constantes de la naturaleza distintas a las nuestras, estarían privados del potencial y de los elementos necesarios para desarrollar y sostener el tipo de complejidad organizada que nosotros llamamos vida.

        Muchos se preguntan si las constantes son, verdaderamente constantes

Nadie ha sabido responder a la pregunta de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o llegará un momento en que comience su transformación. Hay que tener en cuenta que para nosotros, la escala del tiempo que podríamos considerar muy grande, en la escala de tiempo del universo podría ser ínfima. El universo, por lo que sabemos, tiene 13.500 millones de años. Antes que nosotros, el reinado sobre el planeta correspondía a los dinosaurios, amos y señores durante 150 millones de años, hace ahora de ello 65 millones de años.  Mucho después, hace apenas 2 millones de años, aparecieron nuestros antepasados directos que, después de una serie de cambios evolutivos desembocó en lo que somos hoy.

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        Geoarge Johnstone Stoney

Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que él mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en qué tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas o distancias o algún fenómeno: se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

Comienza II

A. Turing y George Francis FitzGerald eran parientes de Stoney

En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales (en la primera imagen de arriba) que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos comentado antes. También, como unidades naturales escogió G y c que responde, como se ha explicado, a la gravedad universal y la velocidad de la luz en el vacío.

En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” y dio el primer cálculo de su valor esperado. Demostró que el trío mágico de G, c y e podía combinarse de una manera, y sólo de una, de modo que a partir de ellas se creaban una unidad de masa, una unidad de longitud y una unidad de tiempo. Para la velocidad de la luz utilizó un promedio de las medidas existentes, c = 3 × 10⁸ metros por segundo; para la constante de gravitación de Newton utilizó el valor obtenido por John Herschel, G = 6’67259 × 10^{-11 m3} s^-2 Kg^-1, y para la unidad de carga del “electrino” utilizó e = 10^-20 amperios. Estas fueron las inusuales nuevas unidades que él encontró, en términos de las constantes e, c y G, y en términos de gramo, metros y segundos:

Estas son cantidades extraordinarias. Aunque una masa de 10^-7 gramos no es demasiado espectacular – es similar a la de una mota de polvo – las unidades de longitud y tiempo de Stoney eran muy diferentes de cualquiera que hubieran encontrado antes los científicos.  Eran fantásticamente pequeñas, rozando lo inconcebible. No había (y sigue sin haber) ninguna posibilidad de medir directamente tales longitudes y tiempos. En cierto modo, esto es lo que se podría haber esperado. Estas unidades no están construidas deliberadamente a partir de dimensiones humanas, por conveniencia humana o para utilidad humana.  Están definidas por la propia fábrica de la realidad física que determina la naturaleza de la luz, la electricidad y la gravedad.  No se preocupan de nosotros. Stoney triunfó de un modo brillante en su búsqueda de un sistema de unidades sobrehumanas.

“La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza.  Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros somos parte del misterio que estamos tratando de resolver”.

Max Planck

Las unidades naturales de Max Planck

Sí, sí, volvamos a nuestro asunto, las unidades. Ahora sabemos bien que la velocidad de la luz    es realmente una constante fundamental. Recordemos por otra parte que la velocidad es distancia dividida por unidad de tiempo

si sustituimos    por la velocidad de la luz    y reordenamos un poco

y como    no es más que un número (grande, pero tan sólo un número), si me das un valor de tiempo    puedo decirte su equivalente en distancias. Es decir, realmente distancias y tiempos no son tan distintos… las percibimos como diferentes, pero hay una relación profunda entre ellas que todavía necesita ser explorada.

Entonces     es una constante fundamental. ¿Cuáles otras constantes fundamentales existen que estén en la misma jerarquía que la velocidad de la luz? Pues está la constante de gravitación de Newton    y la constante de Planck    (ésta no es exactamente la constante de Planck, pero eso es irrelevante para lo que queremos explicar).

El hallazgo de Planck

Ahora bien, lo que notó Planck es que usando estas tres constantes se puede construir un sistema de unidades consistente. Es un ejercicio simple de análisis dimensional que no haremos en detalle, pero podemos encontrar una escala natural de masas, una escala natural de tiempos y una escala natural de distancias

(https://youtu.be/bm7FSHokRIA) Si sientes curiosidad viaja en You Tube a este lugar

La idea de Stoney fue descubierta en una forma diferente por el físico alemán Max Planck en 1.899, un año antes de que expusiera al mundo su teoría del “cuanto de acción” h.

   El cuanto de acción de Planck

Planck es uno de los físicos más importantes de todos los tiempos.  Como antes he apuntado, descubrió la naturaleza cuántica de la energía que puso en marcha la revolución cuántica de nuestra comprensión del mundo, ofreció la primera descripción correcta de la radiación térmica (“espectro de Planck”) y una de las constantes fundamentales de la naturaleza lleva su nombre.

         Planck y Einstein

Ganador del premio Nobel de Física de 1.918, también fue, en el primer momento, el único que comprendió la importancia que, para la física y para el mundo, tendría el artículo del joven Einstein, en 1.905, sobre la teoría de la relatividad especial.  Hombre tranquilo y modesto que fue profundamente admirado por sus contemporáneos más jóvenes, como el mismo Einstein y Bohr.

La concepción que tenía Planck de la naturaleza ponía mucho énfasis en su racionalidad intrínseca y en su independencia del pensamiento humano. Había que encontrar esas estructuras profundas que estaban lejos de las necesidades de la utilidad y conveniencia humanas pero que, en realidad, estaban ahí ocultas en lo más profundo de los secretos naturales y eran las responsables de que nuestro mundo, nuestro universo, fuese tal como lo conocemos.

En el último año de su vida un antiguo alumno le preguntó si creía que buscar la forma de unir todas las constantes de la naturaleza mediante alguna teoría más profunda era atractivo. Le contestó con el entusiasmo templado por el realismo y experiencia conociendo cuantas dificultades entrañaba tal empresa.

“Su pregunta sobre la posibilidad de unificar todas las constantes universales de la naturaleza, es sin duda una idea atractiva.  Por mi parte, sin embargo, tengo dudas de que se logre con éxito. Pero puedo estar equivocado”

Planck

A diferencia de Einstein, Planck no creía que se pudiera alcanzar realmente una teoría globalizadora que explicara todas las constantes de la naturaleza.

Mientras que Stoney había visto en la elección de unidades prácticas una manera de cortar el nudo gordiano de la subjetividad, Planck utilizaba sus unidades especiales para sustentar una base no antropomórfica para la física y que, por consiguiente, podría describirse como “unidades naturales”.

De acuerdo con su perspectiva universal, en 1.899 Planck propuso que se construyeran unidades naturales de masa, longitud y tiempo a partir de las constantes más fundamentales de la naturaleza: la constante de gravitación G, la velocidad de la luz c y la constante de acción h, que ahora lleva el nombre de Planck. La constante de Planck determina la mínima unidad de cambio posible en que pueda alterarse la energía, y que llamó “cuanto”. Las unidades de Planck son las únicas combinaciones de dichas constantes que pueden formarse en dimensiones de masa, longitud, tiempo y temperatura.  Sus valores no difieren mucho de los de Stoney:

Estas formulaciones con la masa, la longitud, el tiempo y la temperatura de Planck incorporan la G (constante de gravitación), la h (la constante de Planck) y la c, la velocidad de la luz. La de la temperatura incorpora además, la K de los grados Kelvin.

La constante de Planck racionalizada (la más utilizada por los físicos), se representa por ћ que es igual a h/2π que vale del orden de 1’054589×10^-34 Julios segundo.

En las unidades de Planck (del recuadro en rojo), una vez más, vemos un contraste entre la pequeña, pero no escandalosamente reducida unidad natural de la masa y las unidades naturales fantásticamente extremas del tiempo, longitud y temperatura. Estas cantidades tenían una significación sobrehumana para Planck. Entraban en La Base de la realidad física:

Ellos obtendrían el mismo resultado

“Estas cantidades conservarán su significado natural mientras la Ley de Gravitación y la de Propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos; por lo tanto, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos.”

En sus palabras finales alude a la idea de observadores en otro lugar del universo que definen y entienden estas cantidades de la misma manera que nosotros.

Por otra parte y de entrada, había algo muy sorprendente en las unidades de Planck, como lo había también en las de Stoney. Entrelazaban la gravedad con las constantes que gobiernan la electricidad y el magnetismo.

“La creciente distancia entre la imagen del mundo físico y el mundo de los sentidos no significa otra cosa que una aproximación progresiva al mundo real.”

Max Planck

Podemos ver que Max Planck apelaba a la existencia de constantes universales de la naturaleza como prueba de una realidad física al margen y completamente diferentes de las mentes humanas. Al respecto decía:

“Estos…números, las denominadas “constantes universales” son en cierto sentido los ladrillos inmutables del edificio de la física teórica. Deberíamos preguntar:

¿Cuál es el significado real de estas constantes?”

Una de las paradojas de nuestro estudio del universo circundante es que a medida que las descripciones de su funcionamiento se hacen más precisas y acertadas, también se alejan cada vez más de toda la experiencia humana.

“Lo que realmente me interesa es si Dios podría haber hecho del mundo una cosa diferente; es decir, si la necesidad de simplicidad lógica deja la más mínima libertad.”

Albert Einstein

En realidad le tuvieron que dar tres Premios Nobel

Einstein hizo más que cualquier otro científico por crear la imagen moderna de las leyes de la naturaleza. Desempeñó un papel principal en la creación de la perspectiva correcta sobre el carácter atómico y cuántico del mundo material a pequeña escala, demostró que la velocidad de la luz introducía una relatividad en la visión del espacio de cada observador, y encontró por sí solo la teoría de la gravedad que sustituyó la imagen clásica creada por Isaac Newton más de dos siglos antes que él. Su famosa fórmula de      E = mc² es una fórmula milagrosa, es lo que los físicos definen como la auténtica belleza. Decir mucho con pocos signos y, desde luego, nunca ningún físico dijo tanto con tan poco. En esa reducida expresión de E = mc², está contenido uno de los mensajes de mayor calado del universo: masa y energía, son la misma cosa.

Einstein siempre estuvo fascinado por el hecho de que algunas cosas deben parecer siempre iguales, independientemente de cómo se mueva el que las ve, como la luz en el vacío, c.

Él nos dijo el límite con que podríamos recibir información en el universo, la velocidad de c.

Él reveló todo el alcance de lo que Stoney y Planck simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una constante sobrehumana fundamental de la naturaleza. También sabía el maestro que, en el proceso de nuevas teorías, la búsqueda de la teoría final que incluyera a otras fuerzas de la naturaleza distintas de la gravedad, daría lugar a teorías nuevas y cada vez mejores que irían sustituyendo a las antiguas teorías. De hecho, él mismo la buscó durante los 30 últimos años de su vida pero, desgraciadamente, sin éxito. Ahora se ha llegado a la teoría de supercuerdas que sólo funciona en 10 y 26 dimensiones y es la teoría más prometedora para ser la candidata a esa teoría final de la que hablan los físicos.

El físico espera que las constantes de la naturaleza respondan en términos de números puros que pueda ser calculado con tanta precisión como uno quiera. En ese sentido se lo expresó Einstein a su amiga Ilse Rosenthal-Schneider, interesada en la ciencia y muy amiga de Planck y Einstein en la juventud.

Lo que Einstein explicó a su amiga por cartas es que existen algunas constantes aparentes que son debidas a nuestro hábito de medir las cosas en unidades particulares. La constante de Boltzmann es de este tipo. Es sólo un factor de conversión entre unidades de energía y temperatura, parecido a los factores de conversión entre las escalas de temperatura Fahrenheit y centígrada. Las verdaderas constantes tienen que ser números puros y no cantidades con “dimensiones”, como una velocidad, una masa o una longitud.  Las cantidades con dimensiones siempre cambian sus valores numéricos si cambiamos las unidades en las que se expresan.

La interpretación de las unidades naturales de Stoney y Planck no era en absoluto obvia para los físicos. Aparte de ocasionarles algunos quebraderos de cabeza al tener que pensar en tan reducidas unidades, y sólo a finales de la década de 1.960 el estudio renovado de la cosmología llevó a una plena comprensión de estos patrones extraños. Uno de los curiosos problemas de la Física es que tiene dos teorías hermosamente efectivas (la mecánica cuántica y la relatividad general)  pero gobiernan diferentes dominios de la naturaleza.

La mecánica cuántica domina en el micro-mundo de los átomos y de las partículas “elementales”. Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio. Esta onda no es como una onda de agua. Se parece más a una ola delictiva o una ola de histeria: es una onda de información. Nos indica la probabilidad de detectar una partícula. La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa. Se utiliza para describir la expansión del universo o el comportamiento en situaciones extremas, como la formación de agujeros negros. Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que la incidencia gravitatoria es despreciable. Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y galaxias, donde la presencia de la gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

Como resultado de estas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el universo de lo muy pequeño o en el universo de lo muy grande. Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Emilio Silvera V.

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