martes, 19 de enero del 2021 Fecha
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El Universo ¡siempre el Universo!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (2)

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Hay que prestar atención a las coincidencias. Uno de los aspectos más sorprendentes en el estudio del universo astronómico durante el siglo XX, ha sido el papel desempeñado por la coincidencia: que existiera, que fuera despreciada y que fuera recogida. Cuando los físicos empezaron a apreciar el papel de las constantes en el dominio cuántico y a explorar y explotar la nueva teoría de la gravedad de Einstein para describir el universo en conjunto, las circunstancias eran las adecuadas para que alguien tratara de unirlas.

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       La teoría de Einstein nos habló del Cosmos de otra manera

Entró en escena Arthur Eddington; un extraordinario científico que había sido el primero en descubrir cómo se alimentaban las estrellas a partir de reacciones nucleares. También hizo importantes contribuciones a nuestra comprensión de la galaxia, escribió la primera exposición sistemática de la teoría de la relatividad general de Einstein y fue el responsable de verificar, en una prueba decisiva durante un eclipse de Sol, la veracidad de la teoría de Einstein en cuanto a que el campo gravitatorio del Sol debería desviar la luz estelar que venía hacia la Tierra en aproximadamente 1’75 segmentos de arco cuando pasaba cerca de la superficie solar, y así resultó.

Einstein y Eddintong en el jardin de la casa de éste último

Albert Einstein y Arthur Stanley Eddington se conocieron y se hicieron amigos. Se conservan fotos de los dos juntos conversando sentados en un banco en el jardín de Eddington en el año 1.930, donde fueron fotografiados por la hermana del dueño de la casa.

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Si las constantes fueran variables en el teimpo y en el espacio…mala...

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en General    ~    Comentarios Comments (0)

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Hemos podido leer por ahí, artículos diversos que nos dicen: “Estudios realizados con el Telescopio…en…, han venido a confirmar que, la constante de estructura fina fue más pequeña en el pasado, cuando el universo era más joven. Otros, sin embargo, nos han dido lo contrario y dicen que la constante de estructura fina era mayor en el pasado. Tales discrepancias, al parecer, son debidas a que, cada grupo investigador lo hicieron de una parte distinta del Universo. Sin embargo, hay otros muchos que no creen en una constante de estructura fina variable (me cuento entre ellos), ya que, como decía Einstein, si el Universo no es igual en todas partes y en todo tiempo…¡qué chapuza de universo!

Algunos grupos de científicos sugieren que las variaciones en la constante de estructura fina nos dicen que las leyes de la física no son iguales en todas partes y, cuando leo algo así, me pregunto qué clase de físicos son estos que ponen en duda cuestiones que, como la constante α, han sido más que estudiadas a lo largo de la historia de la Física y, el resultado, es bien conocido.

Los primeros quásares, descubiertos a finales de 1950, fueron identificados como fuentes de una intensa radioemisión. En 1960 los astrónomos observaron objetos cuyos espectros mostraban unas líneas de emisión que no se podían identificar. En 1963, el astrónomo estadounidense de origen holandés Maarten Schmidt descubrió que estas líneas de emisión no identificadas en el espectro del quásar 3C 273 eran líneas ya conocidas pero que mostraban un desplazamiento hacia el rojo mucho más fuerte que en cualquier otro objeto conocido.

Una de las cuestiones más controvertidas en la cosmología es porque las constantes fundamentales de la naturaleza parecen finamente ajustadas para la vida. Una de estas constantes fundamentales es la constante de estructura fina o alfa, que es la constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética (usualmente denotada α, es un número que determina la fuerza de una interacción) y equivale a 1/137,03599911.

 Los quásares son los objetos más lejanos del universo y en ellos se producen los sucesos más espectaculares del universo antiguo, debido a inmensos agujeros negros que habitan en su interior. Allí, se pidrían buscar muchas respuestas a preguntas que aún, no han sido contestadas.

Era una cuestión más o menos de rutina para John Webb, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, y sus colegas. Se trataba de estudiar el comportamiento de una oscura constante de la naturaleza nada fotogénica, la constante alfa, fundamental para comprender la propagación de ondas electromagnéticas, como lo son las ondas de luz. Se le llama “la constante de estructura fina”, y en el trabajo usaron dos telescopios, uno en el norte, el telescopio Keck en Mauna Kea, Hawai, y otro en el sur, el Very Large Telescope (VLT) en Paranal, Chile. Las observaciones se referían a objetos extremadamente luminosos del pasado distante del cosmos, llamados quasares.

     Telescopio Keck, en Hawaii

           Very Large Telescope, en Chile

Entonces, la sorpresa sobrevino. De acuerdo a los datos, hace 10 mil millones de años alfa parecería haber sido mayor en la dirección sur de nuestro planeta, y más pequeña en la dirección norte. Esto consolidaba lo que por más de 20 años han hallado algunos investigadores: que la estructura fina  del universo varía con el tiempo.
Una constante que varía es un oximorrón. El hecho de que una “constante” universal varíe de este modo crea un nuevo escenario para nuestro conocimiento de la ciencia. No por nada Richard Feynman se refirió a ella como “one of the greatest damn mysteries of physics.”
La variación encontrada en el análisis de Webb fue de una en cien mil partes. Si la constante de estructura fina fuera sólo un 4% mayor o menor, las estrellas no podrían crear reacciones nucleares creando en sus interiores los átomos de carbón y oxígeno, los elementos sobre los cuales se basa la vida como la conocemos

No será la constante más famosa del mundo, pero sin su valor actual ni siquiera estaríamos aquí. Ahora descubrimos que podría ni siquiera ser constante.

Estas son las cosas que se comentan de la constante de estructura fina que, como se ha dicho otras veces aquí, es la que guarda los secretos de ¡tántas cosas!, es el 137, es la h de Planc, la c de Einstein y la e de Dirac, es decir, ahí están implicadas el cuanto de acción de Planck, la mecánica cuántica, la velocidad de la luz en el vacío, la relatividad especial de Einstein, y, también el electrón de Dirac. Venir a estas alturas a decirnos que dicha constante es variable en el tiempo y el espacio…da que pensar. Pero sigamos.

La constante de estructura fina o constante de estructura fina de Sommerfeld, normalmente representada por el símbolo α, es la constante física fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

La expresión que la define  es

 \alpha = \frac{e^2}{\hbar c \ 4 \pi \epsilon_0} = 7,297 352 568 \times 10^{-3} = \frac{1}{137,035 999 11} .

donde e es la carga elemental,  \hbar = h/(2 \pi) es la es la constante reducida de Planck,  c es la velocidad de la luz  en el vacío, y ε0 es la permitividad del vacío.

¿Brillarían las estrellas de la misma manera si la constante de estructura fina fuese variable? Y, nosotros, ¿estaríamos aquí?

Hay cambios infinitesimales que seguramente podrían ser soportados sin notar cambios perceptibles, como por ejemplo en la vigésima cifra decimal de la constante de estructura fina. Si el cambio se produjera en la segunda cifra decimal, los cambios serían muy importantes. Las propiedades de los átomos se alteran y procesos complicados como el plegamiento de las proteínas o la replicación del ADN pueden verse afectados de manera adversa. Sin embargo, para la complejidad química pueden abrirse nuevas posibilidades. Es difícil evaluar las consecuencias de estos cambios, pero está claro que, si los cambios consiguen cierta importancia, los núcleos dejarían de existir, no se formarían células y la vida se ausentaría del planeta, siendo imposible alguna forma de vida.

Las constantes de la naturaleza ¡son intocables!

Ahora sabemos que el universo tiene que tener miles de millones de años para que haya transcurrido el tiempo necesario par que los ladrillos de la vida sean fabricados en las estrellas y la gravitación nos dice que la edad del universo esta directamente ligada con otras propiedades como la densidad, temperatura, y el brillo del cielo.

Puesto que el universo debe expandirse durante miles de millones de años, debe llegar a tener una extensión visible de miles de millones de años luz. Puesto que su temperatura y densidad disminuyen a medida que se expande, necesariamente se hace frío y disperso. Como hemos visto, la densidad del universo es hoy de poco más que 1 átomo por m3 de espacio. Traducida en una medida de las distancias medias entre estrellas o galaxias, esta densidad tan baja muestra por qué no es sorprendente que otros sistemas estelares estén tan alejados y sea difícil el contacto con extraterrestres. Si existen en el universo otras formas de vía avanzada, entonces, como nosotros, habrán evolucionado sin ser perturbadas por otros seres de otros mundos hasta alcanzar una fase tecnológica avanzada.

La Nebulosa del Capullo desde CFHT

                                      ¿Qué provoca los colores de la Nebulosa del Capullo?

La expansión del universo es precisamente la que ha hecho posible que el alejamiento entre estrellas, con sus enormes fuentes de radiación, no incidieran en las células orgánicas que más tarde evolucionarían hasta llegar a nosotros. Diez mil millones de años de alejamiento continuado y el enfriamiento que acompaña a dicha expansión permitieron que, con la temperatura ideal y una radiación baja, los seres vivos continuaran su andadura en este planeta minúsculo, situado en la periferia de la galaxia que comparado al conjunto de esta, es sólo una mota de polvo donde unos insignificantes seres laboriosos, curiosos y osados, son conscientes de estar allí y están pretendiendo determinar las leyes, no ya de su mundo o de su galaxia, sino que su osadía ilimitada les lleva a pretender conocer el destino de todo el universo.

Cuando a solas pienso en todo esto, la verdad es que no me siento nada insignificante y nada humilde ante la inmensidad de los cielos. Las estrellas pueden ser enormes y juntas, formar inmensas galaxias… pero no pueden pensar ni amar; no tienen curiosidad, ni en ellas está el poder de ahondar en el porqué de las cosas. Nosotros sí podemos hacer todo eso y más.

La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números: la razón entre las masas del electrón y el protón, β, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina, α, que es aproximadamente 1/137. Supongamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo sencillo) que ninguna otra constante de la Naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas?

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas. La constante de estructura fina están por todas partes.

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos que no hay muchos espacios para maniobrar. Incrementemos β demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de beta el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y las cargas negativas de los electrones igualan las cargas positivas de los protones haciendo estable el núcleo y el átomo.

Si en lugar de α versión β, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte aF, junto con la de α, entonces, a menos que  αF > 0,3 α½, los elementos como el carbono no existirían.

No podrían existir químicos orgánicos, no podrían mantenerse unidos. Si aumentamos aF en solo un 4 por 100, aparece un desastre potencial porque ahora puede existir un nuevo núcleo de helio, el helio-2, hecho de 2 protones y ningún neutrón, que permite reacciones nucleares directas y más rápidas que de protón + protón →  helio-2.

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Tampoco las Nubes moleculares en Orión, lugar cercano a nuestra casa, serían iguales si α fuese variable

Las estrellas agotarían rápidamente su combustible y se hundirían en estados degenerados o en agujeros negros. Por el contrario, si aF decreciera en un 10 por 100, el núcleo de deuterio dejaría de estar ligado y se bloquearía el camino a los caminos astrofísicos nucleares hacia los elementos bioquímicos necesarios para la vida.

En fin, que nuestro Universo es como es porque las constantes fundamentales son las que son.

emilio silvera