lunes, 27 de enero del 2020 Fecha
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El Universo y los pensamientos

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo y los pensamientos    ~    Comentarios Comments (0)

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 ¿Cuándo lo conoceremos? Sí,  me refiero al Universo. Su compleja y peculiar naturaleza hizo posible que surgieran las estrellas y las galaxias a partir de la sustancia cósmica que, durante diez mil millones de años ha estado evolucionando en los hornos nucleares de las estrellas para que, finalmente, esa evolución de la materia, se pudiera convertir en pensamientos.

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Que poco a poco, el intelecto humano va desvelando secretos del universo, tiene hoy día poca discusión.  Claro que, no siempre fue así. En 1900 fue Kelvin el que señaló que “dos nubes” se cernían sobre el horizonte: una tenía que ver con las propiedades del movimiento de la luz y la otra con aspectos de la radiación que emiten los objetos cuando se calientan.

Y, aunque los dos problemas fueron rápidamente abordados, no eran en absoluto menores. Cada uno de ellos inició una auténtica revolución, y cada uno de ellos nos llevó a un nuevo entendimiento de la Naturaleza. Al entender aquellos dos conceptos (de luz y radiación), el espacio, el tiempo y la realidad –que durante muchos años habían regido nuestros pensamientos, tuvieron que ser apartados para adoptar otras maneras de entenderlos y otras formas de pensamientos-.

La relatividad de Einstein (que abordó una de aquellas nubes) en dos etapas,  1905 y 1915, cuando quedó completa la teoría en su primera parte especial y en la segunda general. Mientras luchaba con enigmas que implicaban a la electricidad, el magnetismo y el movimiento de la luz, Einstein se dio cuenta de que la idea de Newton de espacio y tiempo, la piedra angular de la física clásica, era errónea y él, con su nueva manera de ver el universo, postuló que el espacio y el tiempo no eran independiente en absoluto, como Newton había pensado, sino que está mezclado de una manera que contradice nuestra experiencia común y, cuando pudo finalizar la segunda parte de la relatividad, Einstein terminó de desterrar a Newton al exponer sus ecuaciones de campo de la relatividad general que describe, de manera magistral, lo que es la fuerza de Gravedad y las leyes que rigen la física gravitatoria. Así quedó demostrado que espacio y tiempo son parte de un todo unificado y, también demostró que deformándose y curvándose participan en la evolución cósmica  y escriben la geometría del universo. Así que, desde entonces, sabemos que, aquellas estructuras rígidas e inmutables de Newton, a partir de Einstein, serían flexibles y dinámicas.

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas de tipo Cefeidas Variables. El expectro de la luz estelar revela la velocidad a la que se mueve la galaxia (Efecto Doppler) y la cantidad de expansión que ha sufrido el universo desde que la luz salió de su fuente.

¿Qué dudas podemos tener sobre el hecho cierto de que, las dos teorías de la relatividad se encuentran entre los mayores logros del intelecto humano? Las ideas que contienen, cambiaron la manera de mirar el universo y dio lugar al nacimiento de la cosmología como ciencia.

La otra “nube negra” a la que se refería Kelvin, relacionada con la radiación que emitían los cuerpos calientes, nos llevó a la segunda revolución: La Mecánica Cuántica, con ello llegaron nuevos conceptos a los que fue sometido el intelecto humano y que revolucionó la física de la época para transmutarnos hacia un mundo moderno lleno de conceptos nuevos que chamuscaban los brillantes barnices de la física clásica al quedar literalmente achicharrados por la potente luz que desprendía la realidad cuántica.

El catorce de diciembre de 1900 en los albores del siglo XX, el físico alemán Max Planck (1858-1947) presentó un trabajo acerca de la ley de radiación del cuerpo negro en una reunión de la Sociedad alemana de Física de Berlín y esta fecha puede ser considera, sin ninguna duda, como el nacimiento de la Mecánica cuántica. En su deducción. Planck introdujo en Física el concepto nuevo de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de en una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada fue, posteriormente la base, para la teoría cuántica.

En su deducción de la expresión teórica de la intensidad de radiación en función de la longitud de onda y de la temperatura. Planck abandonó la física clásica al introducir un concepto radical ad hoc cuya esencia puede formularse como sigue: Un oscilador de frecuencia natural v puede tomar o ceder energía únicamente en proporciones de magnitud E = hv, donde h es una constante de la naturaleza, llamada constante de Planck, h, el cuanto de acción, pues tiene dimensiones de acción (energía por tiempo) Js: Julios (J), unidad de energía por segundo (s)unidad de tiempo) y solo puede tener, y por lo tanto emitir energía dadas por E = nhv, donde n es un entero positivo, v la frecuencia de radiación y h la constante de Planck. Así, Planck fue capaz con esta hipótesis de encontrar una expresión teórica para la función de distribución espectral de densidad de energía en función de la longitud de onda   o de la frecuencia de la cavidad de radiación de cuerpo negro  de la cavidad de radiación de cuerpo negro (aquí obvio las ecuaciones).

Toda esta función llamada ley de Planck se ajusta muy bien a los datos obtenidos experimentalmente. El valor de la constante de Planck, h, puede ser determinado encajando la función de la ecuación a los datos experimentales. La importancia fundamental, la explicación física de la cuantificación o cuantización (discretización) introducida por la ecuación, no fue completamente entendida ni por el mismo por Planck que la consideraba simplemente un truco matemático para ajustar una función matemática a los datos físicos. Planck era un físico formado en la tradición clásica, y que solo abandonó los supuestos clásicos “en un acto de desesperación” como él dijo alguna vez.

El significado físico de la entrada del cuento de acción en la escena física, no fue generalmente apreciada por los físicos hasta 1905, cuando el genial físico (de nuevo) Einstein, aplicó las ideas cuánticas de Planck a su inconmensurable trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le ganaría el Nobel de Física) al sugerir que la misma no era una misteriosa propiedad de los osciladores en las paredes de la cavidad y la radiación de cuerpo negro, la cuantificación es una característica fundamental de la propia energía lumínica.

Claro que, una característica central de la Física Clásica es que si conocemos las posiciones y velocidades de todos los objetos en un instante particular, podemos decir cuáles serán sus posiciones y velocidades en cualquier otro instante, ya sea pasado o futuro. Sin equivocación, la física clásica declara que el pasado y el futuro están gravados en el presente. Esta característica es también compartida por la Relatividad Especial y General. Aunque los conceptos relativistas de pasado y futuro son más sutiles que sus que sus familiares contrapartidas clásicas, las ecuaciones de la relatividad, junto con una evaluación completa del presente, los determinan por completo.

                                   Siempre nos preguntaremos por el número que saldrá o dónde estará la partícula que buscamos

De forma completamente inesperada, encontraron que sólo las leyes cuánticas eran capaces de resolver la barahúnda de rompecabezas y explicar una gran variedad de datos recién adquiridos procedentes de los átomos y del reino subatómico. Sin embargo, si hacemos la medida más perfecta técnicamente posible para comprobar cómo son las cosas en este preciso momento, lo más que podemos esperar es predecir la probabilidad de que las cosas sean de una manera o de otra en un instante escogido en el futuro, o de que las cosas fueron de una determinada manera o de otra en algún instante escogido en el pasado. El Universo, según la mecánica cuántica, no está grabado en el presente; el universo, según la mecánica cuántica, participa (por decirlo de alguna manera) en un juego de Azar.

Mientras que la Intuición humana, y su encarnación de la Física Clásica, imagina una realidad en la que las cosas a veces se mantienen en un estado confuso entre ser parcialmente de una manera y parcialmente de otra. Las cosas sólo se hacen definidas cuando una observación apropiada las obliga a abandonar las posibilidades cuánticas y asentarse en un resultado específico. Sin embargo, el resultado que se hace real no puede predecirse: solo podemos predecir las probabilidades de que las cosas resulten de una manera o de otra.

Esto, para nuestro común raciocinio, no resulta nada familiar y sí resulta muy extraño. No estamos acostumbrados a una realidad que permanece ambigua hasta que es percibida. Pero la singularidad de la mecánica cuántica no se detiene aquí. Tan sorprendente al menos como esta es una característica que se representa en un artículo por Einstein en 1935 con dos colegas más jóvenes, Nathan Rosen y Boris Podolsky, que pretendía ser un ataque a la teoría cuántica. Con giros posteriores del progreso científico, el artículo de Einstein puede considerarse ahora como uno de los primeros en señalar que la mecánica cuántica –si se toma al pie de la letra- implica que algo que uno observa aquí puede estar instantáneamente ligado a algo que está sucediendo allí, independientemente de la distancia.

Claro que Einstein considera absurda tales conexiones instantáneas y postulaba que la teoría necesitaba mucho desarrollo para llegarla a conocer por completo. Sin embargo, cuando la teoría y la tecnología permitió comprobar todos aquellos supuestos absurdos cuánticos, los investigadores pudieron comprobar que podía haber  un vínculo instantáneo entre lo que sucede en lugares ampliamente separados. Dos objetos pueden estar muy distantes en el espacio, pero por lo que concierne a la mecánica cuántica es como si fueran una única entidad. Además, debido al rígido vínculo entre espacio y tiempo encontrado por Einstein, las conexiones cuánticas también tienen tentáculos temporales.

  Muchas son las cosas que aún no hemos llegado a comprender

Tenemos que comprender que abrir nuestras mentes a la verdadera naturaleza del Universo ha sido, desde siempre, uno de los objetivos más importantes de la Física. Al menos para mí, es difícil imaginar, una experiencia más cautivadora y reveladora que la de aprender, conocer y saber cómo hemos podido llegar hasta ésta segunda década del siglo XXI en la que, sentimos y somos conscientes de que la realidad que en este “universo” del saber del mundo sentimos, es, un pálido reflejo, de la realidad que nos acecha en el futuro.

Mientras tanto, algunos no dejan el empeño de unificar en una sóla esas dos grandes teorías cuántica-relativista. Algunos, sin el equipamiento necesario, se metieron osados en las rápidas aguas que los arrastró en la corriente, y, sin embargo, tuvieron el tiempo necesario para dejar, a los que venían detrás, sus ideas de que, una teoría cuántica-relativista era posible. Así, llegó, con Kaluza-Klein aquel primer impulsoque se intentó en la quinta dimensión para unificar la Relatividad General de Einstein con el Electromagnetismo de Maxwell.

Pasó el tiempo y surgieron aquellas teorías de gran unificación que se llamaron de supergravedad, supersimetría, la cuerda heterótica, supercuerda y, la última y unificadora de todas las demás, la Teoría M. Y, la persistencia de todo este elenco de esforzados físicos, no cayó en saco roto. El sueño se mantiene muy vivo y no pierden la esperanza de alcanzar la recompensa a tanto trabajo y sacrificio. Los científicos recorren ahora caminos desbrozados por exploradores del pasado y ellos los siguen abriendo nuevos surcos, como si de exploradores se tratara, buscan y se acercan a una fusión armoniosa de las Leyes de lo muy Grande y de lo Muy Pequeño. Estamos seguros de que más tarde o más temprano, las supercuerdas nos darán una gran alegría que, cuando surja, será como la de Einstein y Planck, otra gran revolución.

   Todo unido en una misma teoría en la que subyace la Gravedad-Cuántica, de eso nos habla la teoría de cuerdas que va mucho más allá de los Quarks

El sencillo repaso que llevamos dado a algunos acontecimientos de la física, son, por sí mismos, suficiente para comprender que nuestra comprensión de la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo sería un testimonio de la capacidad del intelecto humano. Finalmente ¿llegaremos a conocer la realidad que subyace dentro de los conceptos del espacio-tiempo? Aquí, antes de dar una respuesta categórica, tendríamos que pasar un largo tiempo en silencio y pensando muy profundamente en la clase de respuesta que podríamos dar, toda vez que, tenemos delante de nosotros el horizonte de marcadores que delimitan las más remotas fronteras que, en nuestras mentes, quedan fuera de toda la experiencia humana, y, en ese sentido, sólo podemos intuir, para poder dar (con la experiencia hasta el momento adquirida), una respuesta que, de ninguna manera, puede ser categórica en ningún sentido que nos lleve a una realidad, ya que, en Ciencia, todo tiene que estar constatado y, el futuro, nos queda lejos, muy pero que muy lejos aún.

Si nos paramos a pensar por un momento, lo que hemos podido llegar a conseguir en las distintas ramas de la Ciencia, no tendríamos lugares suficientes para alojar la cantidad de asombro que nos abrumaría. Muchos han sido los logros que el ser humano ha podido conquistar con tan sólo su cerebro como herramienta principal. Y, al verdadero físico, por ejemplo, siempre se le aceleró el corazón cuando estaba a la vista del descubrimiento soñado. ¿Podéis imaginar lo que sentiría Einstein cuando al fin, después de largos años de búsqueda, pudo formular su teoría de la relatividad general?

¿Qué sensación puede existir para un científico que esa de descubrir los secretos de la Naturaleza?

Hay cuestiones importantes que nunca debemos olvidar y, desde luego, hombres de grandes pensamientos posibilitaron que nosotros estemos ahora en el nivel en el que nos encontramos en muchas ramas del saber humano que, sin auqellas ideas… Por ejemplo:

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El gran filósofo alemán Gottfried Wilehlm Leibniz (que era contemporáneo de Newton con el que tuvo algunas refriegas), creía firmemente que el espacio no existe en ningún sentido convencional. Hablar de espacio, afirmaba, no es nada más que una forma fácil y conveniente de codificar dónde unas cosas se relacionan con otras. Sin objetos en el espacio, decía Leibniz, el propio espacio no tiene significado o existencia independiente, es decir, él nos decía que el espacio sin materia, el espacio vacío, no tenía ningún sentido. Un espacio vacío vendría a ser como un alfabeto sin letras.

Otro personaje que no es fácil de olvidar (Einstein lo tenía siempre en sus pensamientos en la relatividad general), es Mach que, entre otras muchas cuestiones se planteó que, en un universo vacío no hay distinción entre girar y no girar –no hay concepto de movimiento o aceleración si no hay puntos de referencia para comparar- y por lo tanto, girar o no girar sería lo mismo. Si las dos piedras de Newton unidas por una cuerda se pusieran a girar en un universo por lo demás vacío, Mach decía que la cuerda permanecería flácida. Si nosotros girásemos en un universo por lo demás vacío, nuestros brazos y piernas no se despegarían del cuerpo, y el fluido de nuestros oídos no se vería afectado, nosotros no sentiríamos nada. Esta es una sugerencia profunda y sutil. Para asimilarla realmente nosotros necesitaríamos meternos seriamente el el ejemplo e imaginar la quietud uniforme y negra del espacio totalmente vacío.

    Ernst Mach en 1900.

 

El de Mach fue el primer desafío importante a la obra de Newton en más de dos siglos, y durante años envió ondas de choque a través de la comunidad de la Física. Claro que, todas estas ideas han ido evolucionando y nos han llevado a conceptos de campos de diversas procedencias, tales como: el campo de Faraday, los campos gravitatorios, campos nucleares, campos de Higgs, y otros. Cada vez se hizo más claro que el concepto de campo para una formulación moderna de la física era importante.

Claro que, pasado el tiempo, en todo aquello intervino alguien que, sencillo él, como si de un niño se tratara, se hacía preguntas “tontas” de una profundidad inalcanzable. Así, las ecuaciones de Maxwell no permitían que la luz parezca estacionaria, es decir, verla como si estuviera en reposo. Y ciertamente, no hay ningún informe fiable de nadie que realmente haya considerado un trozo estacionario de luz. Entonces se preguntaba el adolescente Einstein, ¿qué vamos a hacer con esta aparente paradoja?

Y volvemos al principo: Diez años más tarde, Einstein dio al mundo su respuesta con su teoría de la relatividad especial. Ha habido muchos debates sobre las raíces intelectuales del descubrimiento de Einstein, pero no hay duda de que su inquebrantable creencia en la simplicidad jugó un papel crítico. Einstein postulaba que la luz era un viajero solitario, la luz puede viajar a través del espacio vacío. Einstein nos vino a decir, con su sencilla manera de exponer las cosas que, si la teoría de Maxwell no apela a ningún patrón de reposo particular, la interpretación más directa es que no necesitamos uno. La velocidad de la luz, declaró Einstein, es de 1.080 millones de kilómetros por hora con respecto a nada y a todo.

“Hacer las cosas tan simples como sea posible, pero no más” En física hay un principio que se debe seguir:  En realidad es… “un principio” metodológico y filosófico atribuido a Guillermo Ockham (1280-1349),  según el cual, «en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la correcta». Esto implica que, cuando dos teorías en igualdad de condiciones tienen las mismas consecuencias, la teoría más simple tiene más probabilidades de ser correcta que la compleja.

Durante toda su vida, Einstein desafío el sentido común y, con la paradoja de las ecuaciones de Maxwell, él supo ver que la luz tenía su medida invariante en la marcha que le había asignado el universo, sin tener en cuenta la fuente de procedencia, siempre, y en todas las circunstancias, la luz, correría a 1.080 millones de kilómetros en el vacío espacial.

  En realidad, la velocidad de la luz en el vacío determina nuestro conocimiento del Universo

Así que, desde entonces, la velocidad de la luz es constante y, podemos deducir que, el espacio y el tiempo están en el ojo del que contempla. Cada uno de nosotros lleva consigo su propio reloj, su propio monitor del paso del tiempo que, como sabemos, no es igual para todo, ya que, es relativo en función de las circunstancias que en cada caso se puedan dar. El día que lleguemos a comprender la verdadera naturaleza de la luz, ese día, podremos decir ¡que sabemos!

emilio silvera

 


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