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¿Por qué es curva la geometría del Universo? ¿Será la materia la...

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (2)

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Así representan algunos como sería el camino para burlar la velocidad de la luz y desplazarnos por el espaciotiempo a distancias inmensas en tiempos y espacios más cortos. Es el famoso agujero de gusano o el “doblar” el espacio trayendo hacia nuestro propio espacio el lugar que deseamos visitar. La forma del universo es un nombre informal de un tema de investigación que busca determinar la morfología del universo dentro de la cosmología física, que es la ciencia encargada de estudiar el origen, la evolución y el destino del universo. Los cosmólogos y los astrónomos describen la geometría del universo incluyendo dos modalidades: la geometría local, es decir, aquella referida a la forma del universo observable, y la geometría global que trata de describir el espaciotiempo del universo completo. Su estudio está vagamente dividido en -entre otras disciplinas científicas- curvatura y topología,  aunque estrictamente hablando su investigación incluya a ambos temas relacionado.

Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el nombre de línea de universo. La relatividad general nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

 File:End of universe.jpg

La geometría local del universo se determina aproximadamente si Omega es menos que, igual a o mayor de 1. De arriba hacia abajo: un universo esférico (“riemanniano” o de curvatura positiva), un universo hiperbólico (“lobachevskiano” o de curvatura negativa) , y un universo plano o de curvatura 0.

La curvatura del espacio–tiempo es la propiedad del espacio–tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein nos explica y demuestra que el espacio–tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el universo, y nos dice que el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o galaxias (entre otros).

En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es, en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

Los Modelos Cosmológicos son variados y todos, sin excepción, nos hablan de una clase de universo que está conformado en función de la materia que en él pueda existir, es decir, eso que los cosmólogos llaman el Omega negro. La Materia determinará en qué universo estamos.

En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedmann, la curvatura de espacio–tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson–Walker. Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio–tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto. Un universo de Einstein–de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.

La geometría del espacio-tiempo en estos modelos de universos está descrita por la métrica de Robertson-Walker y es, en los ejemplos precedentes, curvado negativamente, curvado positivamente y plano, respectivamente (Alexander AlexandrovichFriedmann). Y, las tres epresentaciones gráficas de los espacios que dan lugar a los tres posibles formas de universo antes referida en función de la densidad crítica que hará un universo plano, un universo abierto o un universo curvo y cerrado.

Hemos mencionado antes la relatividad del tiempo que para el mismo suceso será distinto en función de quién sea el que cronometre; por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio para el astronauta que en nave espacial viaja a velocidades próximas a c, la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, en el caso antes señalado, el tiempo del astronauta viajero avanza más lentamente en un factor que denotamos con la ecuación , cuando lo mide un sistema de referencia que viaja a una velocidad v relativa al otro sistema de referencia; c es la velocidad de la luz. Este principio ha sido verificado de muchas maneras; por ejemplo, comparando las vidas medias de los muones rápidos, que aumentan con la velocidad de las partículas en una cantidad predicha en este factor de la anterior ecuación.

gemelos en el tiempo

Un ejemplo sencillo de la dilatación del tiempo es la conocida paradoja de los gemelos. Uno viaja al espacio y el otro lo espera en la Tierra. El primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa. Cuando baja de la nave espacial, tiene 8’6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, al regreso de su hermano, es ya un  anciano jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero. Parece mentira que la velocidad con la que podamos movernos nos puedan jugar estas malas pasadas.

Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E = mc2, que nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.

Durante diez dias del mes de enero de 1999 astrofísicos italianos y estadounidenses efectuaron un experimento que llamaron Boomerang. El experimento consistió en el lanzamiento de un globo con instrumentos que realizó el mapa mas detallado y preciso del fondo de radiación de microondas (CMB) obtenido hasta el momento. Su conclusión: el universo no posee curvatura positiva o negativa, es plano. La curvatura parece darse sólo a nivel local, es decir, cuando cuerpos grandes como las estrellas, por ejemplo, están presentes.

La densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión de nuestro universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10-29 g/cm3, es descrito por el modelo al que antes nos referimos conocido como de Einstein–de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

 

Existe un proyecto que inició su andadura en marzo de 2012 y que continuó hasta la primavera de 2014, y tenía como objetivo el estudio del Universo lejano, midiendo distancias precisas de unas 5.000 galaxias y llegando a los 10 billones de años luz. El mapa 3D publicado comprende 1.100 galaxias y abarca 600 millones de años luz en dirección angular y 2 millones de años luz en dirección radial, con lo que muestra una estructura del Universo a gran escala de 4,7 billones de años después del Big Bang. Queremos saber dónde estamos y por qué este lugar es como lo podemos contemplar. Para poder saberlo, observamos y diseñamos modelos por ordenador que nos diga como sería si…

En otras ocasiones hemos mencionado la importancia que tiene para diseñar un modelo satisfactorio del universo, conocer el valor de la masa total de materia que existe en el espacio. El valor de la expansión o de la contracción del universo depende de su contenido de materia. Si la masa resulta mayor que cierta cantidad, denominada densidad crítica, las fuerzas gravitatorias primero amortiguarán y luego detendrán eventualmente la expansión. El universo se comprimirá en sí mismo hasta alcanzar un estado compacto y reiniciará, tal vez, un nuevo ciclo de expansión. En cambio, si el universo tiene una masa menor que ese valor, se expandirá para siempre. Y, en todo esto, mucho tendrá que decir “la materia oscura” que al parecer está oculta en alguna parte.

                                                                                                    Aquí se ha querido significar la materia oscura en azul

Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm3), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10-29 g/cm3, o 10-5 átomos/cm3, ya que el universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las galaxias. La densidad media es la que determinará si el universo se expandirá o no para siempre.

No dejamos de enviar ingenios al espacio para tratar de medir la Densidad Crítica y poder saber en qué clase de universo nos encontramos: plano, cerrado o abierto. Otra cuestión a tener en cuenta es que, el Universo no es estático y que no deja de expandirse, en cuaqlquier región que podamos mirar, como las galaxias se alejan las unas de las otras a una gran velocidad, cada vez la materia es más escasa en un lugar determinado aunque, en conjunto, siempre sea la misma.

En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masas, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. En la imagen se quiere representar tal efecto.

File:Rotating Black Hole.jpg

En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante. No digamos de lo que hace la Gravedad cuando está presente un Agujero negro.

Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.

Un sistema solar en el que los planetas aparecen cohexionados alrededor del cuerpo mayor, la estrella. Todos permanecen unidos gracias a la fuerza de Gravedad que actúa y los sitúa a las adecuadas distancias en función de la masa de cada uno de los cuerpos planetarios.

No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 1040 veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

No pocas veces hemos querido utilizar la fuerza electromagnética para crear escudos a nuestro alrededor, o, también de las naves viajeras, para evitar peligros exteriores de la radiación o de posibles ataques. Es cierto que, habiéndole obtenido muchas aplicaciones a esta fuerza, aún nos queda mucho por investigar y descubrir para obtener su pleno rendimiento. Esos escudos electromagnéticos alrededor de naves o ciudades… De momento, es sólo un sueño.

La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

 

Para saber dónde se encuentra una partícula hay que iluminarla. Pero no se puede utilizar cualquier tipo de luz: hay que usar luz cuya longitud de onda sea por lo menos, inferior a la partícula que se desea iluminar. Pero sucede que cuanto más corta es la longitud de onda, más elevada es la frecuencia, de modo que esa luz transporta una muy elevada energía. Al incidir sobre la partícula ésta resulta fuertemente afectada.
El científico puede finalmente averiguar donde esta la partícula, pero a cambio de perder toda información acerca de su velocidad. Y a la inversa, si consigue calcular la velocidad, debe renunciar a conocer su posición exacta.

Se denomina cuerpo negro a aquel cuerpo ideal que es capaz de absorber o emitir toda la radiación que sobre él incide. Las superficies del Sol y la Tierra se comportan aproximadamente como cuerpos negros.

La teoría cuántica es un ejemplo de talento que debemos al físico alemán Max Planck (1.858 – 1.947) que, en el año 1.900 para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro de cuerpos calientes, dijo que la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hv, donde h es la constante de Planck (E = hv o ħ = h/2π) y v es la frecuencia de la radiación. Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell.  En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio con respecto a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia con la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, como por ejemplo, el fotón.

                                                                                      La radiación está presente en todos los objetos y cuerpos

Por haberlo mencionado antes me veo obligado a explicar brevemente el significado de “cuerpo negro”, que está referido a un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tiene, por tanto, una absortancia y una emisividad de 1. Mientras que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la distribución de energía sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumento de temperaturas (ley de desplazamiento de Wien).

Existen en el Universo configuraciones de fuerzas y energías que aún no podemos comprender. La vastedad de un Universo que tiene un radio de 13.700 millones de años, nos debe hacer pensar que, en esos espacios inmensos existen infinidad de cosas y se producen multitud de fenómenos que escapan a nuestro entendimiento. Son fuerzas descomunales que, como las que puedan emitir agujeros negros gigantes, estrellas de neutrones magnetars y explosiones de estrellas masivas en supernovas que, estando situadas a miles de millones de años luz de nuestro ámbito local, nos imposibilita para la observación y el estudio a fondo y sin fisuras, y, a pesar de los buenos instrumentos que tenemos hoy, siguen siendo insuficientes para poder “ver” todo lo que ahí fuera sucede.

¡El Universo! Todo lo que existe.

emilio silvera


  1. Sí, muchas son, las cosas que no sabemos. : Blog de Emilio Silvera V., el 22 de diciembre del 2013 a las 9:22

    [...]   ¿Por qué es curva la geometría del Universo? ¿Será la materia la responsable? [...]

 

  1. 1
    Emilio Silvera
    el 3 de septiembre del 2013 a las 5:40

    Verdaderamente el Universo es mágico y, las cosas que en él ocurren, nos llevan a un viaje por las maravillas que, ni la más prolífica imaginación, podría nunca intuir que pudieran existir: Agujeros nuegros, el insondable espaciotiempo, fluctuaciones de vacío de las que salen miles de millones de partículas que desaparecen en fracciones de millonésimas de segundo, estrellas de Carbono, de neutrones y, posiblemenete de Quarks y Gluones, mundos de insospechada belleza en los que, como en el nuestro, existirán otras clases de vida… ¡El Universo! Una gran parte de un multiverso mayor en el que, probablemente, otros universos ofrezcan a otros seres, otras maravillas en las que no podemos pensar por no saber como podrían ser, esos universos.

    Soñando, soñando nos vamos acercando a la realidad que cada vez está más cerca de nuestro intelecto curioso que no deja de querer saber sónde está y para qué.

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