viernes, 19 de abril del 2019 Fecha
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Desde la noche de los tiempos… ¡Hemos tratado de conocer el...

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

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¡El Universo! Gracias a la Astronomía, la Astrofísica y otras disciplinas y estudios relacionados, estamos conociendo cada día lo que en realidad es nuestro Universo que, nos tiene deparadas muchas, muchas sorpresas y maravillas que ni podemos imaginar. ¡Son tántas las cosas que aún tenemos que aprender de éste Universo Inmenso!

 

                     Las primeras estrellas aparecieron después de cientos de millonesde años

Al principio, cuando el universo era simétrico, sólo existía una sola fuerza que unificaba a todas las que ahora conocemos, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débil y fuerte, todas emergían de aquel plasma opaco de alta energía que lo inundaba todo. Más tarde, cuando el universo comenzó a enfriarse, se hizo transparente y apareció la luz, las fuerzas se separaron en las cuatro conocidas, emergieron los primeros quarks para unirse y formar protones y neutrones, los primeros núcleos aparecieron para atraer a los electrones que formaron aquellos primeros átomos.Doscientos millones de años más tarde, se formaron las primeras estrellas y galaxias. Con el paso del tiempo, las estrellas sintetizaron los elementos pesados de nuestros cuerpos, fabricados en supernovas que estallaron, incluso antes de que se formase el Sol. Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que una supernova anónima explotó hace miles de millones de años y sembró la nube de gas que dio lugar a nuestro sistema solar, poniendo allí los materiales complejos y necesarios para que algunos miles de millones de años más tarde, tras la evolución, apareciéramos nosotros.

Pero, veámos en dos entradas siguientes algo más, de lo que creemos que es el universo y de lo que pudo pasar en aquellos primeros momentos.

emilio silvera

¡El Origen del Universo! ¿Cómo puedo saberlo yo?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo asombroso    ~    Comentarios Comments (0)

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¿Dónde estabas tú cuando yo puse los cimientos de la Tierra? Dilo si tienes entendimiento. Claro que a esta pregunta, lo único que podríamos contestar sería: ¿Quién sabe realmente? La especulación sobre el origen del universo es una vieja actividad humana que está sin resolver, ya que, pretendemos saber algo que no sabemos si llegó a ocurrir, toda vez que incluso, podría ser, que el universo esté aquí desde siempre. Y, si llegó como algo nuevo, tampoco sabemos, a ciencia cierta, cómo y de dónde lo hizo. Pero, nosotros, los humanos, no dejamos de especular con esta cuestión de compleja resolución y dejamos volar nuestra imaginación en forma de conjeturas y teorías que, no siempre son el fiel reflejo de lo que pudo pasar que, de momento, permanece en el más profundo anonimato.

La Humanidad forma parte indisoluble, indistinguible del cosmos. Todo lo que somos surgió con el mismo universo y en el corazón de las estrellas. En palabras de Sagan, somos polvo de estrellas.

Claro que, la Humanidad y el Universo están tan juntos, tan conectados que, sería imposible que no hablaran de él, y, sobre todo, que no tratataran de saber su comienzo (si es que lo hubo) y, hurgar en su dinámica para poder entender nuestra presencia aquí junto con las estrellas de las que procedemos y de las galaxias que son las villas del Universo que alojan a cientos de millones de mundos habitados que, como la Tierra, tendrán otras criaturas que tambien  se preguntaran por el principio y el final para poder conocer sus destinos.

Algunos nos dicen que el Universo surgió de la “Nada” y, está claro que la Nada no puede existir y, si surgió es porque había, con lo cual, la Nada queda invalidada. Pero, si hubo un suceso de creación, ¿que duda nos puede caber de que tuvo que haber una causa? Lo cierto es que, en las distintas teorías de la “creación” del universo, existen muchas reservas.

No obstante tales reservas, unos pocos científicos trataron de investigar la cuestion de cómo pudo haberse originado el universo, aunque admitiendo que sus esfuerzos quizás eran “prematuros”, como dijo Weinberg con suavidad. En el mejor de los casos, contemplado con una mirada alentadora, el trabajo realizado hasta el momento, parece haber encendido una lámpara en la antesala de la génesis. Lo que allí quedó iluminado era muy extraño, pero era, en todo caso, estimulante. No cabía descubir algo familiar en las mismas fuentes de la creación.

Hemos podido contemplar como en la Nebulosa del Águila nacen nuevas estrellas masivas. Sin embargo, no hemos llegado a poder saber, con certeza como surgió el Universo entero y de dónde y porqué lo hizo para conformar un vasto espacio-tiempo lleno de materia que evolucionaría hasta poder conformar las estrellas y los mundos en enormes galaxias, y, en esos mundos, pudieron surgir criaturas que, conscientes de SER, llegaron desde un nivel animal rudimentario, hasta los más sofisticados pensamientos que les hicieron preguntarse: ¿Quiénes somos, de dónde venimos, hacia dónde vamos? Y, esas preguntas, realizadas 14.000 millones de años después del comienzo del tiempo, y  junto a la pregunta del origen del Universo, todavía, no han podido ser contestadas. Nuestro intelecto evoluciona pero, sus límites son patentes.

Una estrella que se forma en la Nebulosa comienza siendo protoestrellas y, cuando entra en la secuencia principal, brilla durante miles de millones de años dutante los cuales crea nuevos elementos a partir del más sencillo, el Hidrógeno. Los cambios de fase que se producen por fusión en el horno nuclear de las estrellas, son los que han permitido que existieran los materiales necesarios para la química de la vida que, al menos hasta donde sabemos, no apareció en nuestro planeta Tierra, hasta hace unos 4.o0o millones de años, y, desde entonces, ha estado evolucionando para que ahora, nosotros, podamos preguntas, por el origen del universo.

Los científicos han imaginado y han puesto sobre la mesa para su estudio, dos hipótesis, la llamada génesis del vacío, y la otra, génesis cuántica y ambas, parecían indicar mejor lo que el futuro cercano podía deparar al conocimiento humano sobre el origen del Universo.

La Génesis de vacío: El problema central de la cosmología es explicar como algo msurge de la nada. Por “algo” entendemos la totalidad de la materia y la energía, el espacio y el tiempo: el universo que habitamos. Pero la cuestión de lo que significa NADA es más sitíl. En la ciencia clásica, “nada” era un vacío, el espacio vacío que hay entre dos partículas de materia. Pero esta concepsión siempre planteaba problemas, como lo atestigua la prolongada indagación sobre si el espacio estana lleno de éter, y en todo caso no sobrevivió al advenimiento de la física cuántica.

El vacío cuántico nunca es realmente vacío, sino que resoba de partículas “virtuales”. Las partículas virtuales pueden ser concebidas como la posibilidad esbozada por el principio de indeterminación de Heisenberg de que una partícula “real” llegue en un tiempo determinado a un lugar determinado. Como las siluetas que salen de pronto en un campo de tiro policial, representan no sólo lo que es sino también lo que podría ser. Desde el punto de vista de la física cuántica, toda partícula “real” está rodeada por una corona de partículas y antipartículas virtuales que borbotean del vacío, interaccionan unas con otras y luego desaparecen.

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Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

Una cosa sí sabemos, las reglas que gobiernan la existencia de las partículas virtuales se hallan establecidas por el principio de incertidumbre y la ley de conservación de la materia y de la energía.

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En un nuevo estudio, un grupo de físicos ha propuesto que la gravedad podría disparar un efecto desbocado en las fluctuaciones cuánticas, provocando que crezcan tanto que la densidad de energía del vacío del campo cuántico podría predominar sobre la densidad de energía clásica. Este efecto de predominancia del vacío, el cual surge bajo ciertas condiciones específicas pero razonables, contrasta con la ampliamente sostenida creencia de que la influencia de la gravedad sobre los fenómenos cuánticos debería ser pequeña y subdominante.

Claro que, hablar aquí del vacío en relación al surgir del universo, está directamente asentado en la creencia de algunos postulados que dicen ser posible que, el universo, surgiera de una Fluctuación de vacío producida en otro universo paralelo y, desde entonces, funciona de manera autónoma como un nuevo universo de los muchos que son en el más complejo Metaverso.

Inmediatamente después de que la llamada espuma cuántica del espacio-tiempo permitiera la creación de nuestro Universo, apareció una inmensa fuerza de repulsión gravitatoria que fue la responsable de la explosiva expansión del Universo primigenio (inflación(*)).Las fluctuaciones cuánticas del vacío, que normalmente se manifiestan sólo a escalas microscópicas, en el Universo inflacionario en expansión exponencial aumentaron rápidamente su longitud y amplitud para convertirse en fluctuaciones significativas a nivel cosmológico.

En el Modelo corriente del big bang que actualmente prevalece y que, de momento, todos hemos aceptado al ser el que más se acerca a las observaciones realizadas, el universo surgió a partir de una singularidad, es decir, un punto de infinita densidad y de inmensa energía que, explosionó y se expansionó para crear la materia, el espacio y el tiempo que, estarían gobernados por las cuatro leyes fundamentales de la naturaleza:

Fuerzas nucleares débil y fuerte, el electromagnetismo y la Gravedad. Todas ellas, estarían apoyadas por una serie de números que llamamos las constantes universales y que hacen posible que nuestro universo, sea tal como lo podemos contemplar. Sin embargo, existen algunas dudas de que, realmente, fuera esa la causa del nacimiento del Universo y, algunos postulan otras causas como transiciones de fase en un universo anterior y otras, que siendo más peregrinas, no podemos descartar.

La Tierra con la luna

Nosotros, estamos confinados en el planeta Tierra que es un mundo suficientemente preparado para acoger nuestras necesidades físicas, pero, de ninguna manera podrá nunca satisfacer nuestras otras necesidades de la Mente y del intelecto que produce imaginación y pensamientos y que, sin que nada la pueda frenar, cual rayo de luz eyectado desde una estrella masiva refulgente, nuestros pensamientos vuelan también, hacia el espacio infinito y con ellos, damos rienda suelta a nuestra más firme creencia de que, nuestros orígenes están en las estrellas y hacia las estrellas queremos ir, allí, amigos míos, está nuestro destino.

El Universo es grande, inmenso, casi infinito pero, ¿y nosotros? Bueno, al ser una parte de él, al ser una creación de la Naturaleza, estamos formando parte de esta inmensidad y, precisamente, nos ha tocado desempeñar el papel de la parte que piensa, ¿tendrá eso algún significado?

Yo, no lo sé… Pero… ¿¡Quién sabe realmente!? Pero… Veámos en la entrada siguiente como creemos que se formaron los pequeños objetos que conforman la materia.

emilio silvera

¿La Naturaleza? ¡Es la misma en todas partes!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo misterioso    ~    Comentarios Comments (1)

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En un contexto general y sin pararnos a observar fenómenos locales… Siempre todo, será igual

¿Estamos ahora en condiciones de comprender por qué, si existieran animales en otros planetas capaces de moverse a través de sus mares, de su atmósfera o de sus tierras, sería muy probable que, también ellos, tengan simetría bilateral? En otro planeta, igual que en la Tierra, atuarían los mismos factores que darían lugar a la mencionada simetría. La Gravedad produciría diferencias esenciales entre arriba y abajo, y la locomoción originaría marcadas diferencias entre frente y dorso. La ausencia de asimetrías fundamentales en el entorno permitiría que la simetría izquierda derecha de los cuerpos permaneciera inalterada.

¿Podemos ir más allá? ¿Podemos esperar semejanzas más concretas entre la vida extraterrestre y la vida tal como la conocemos? Creo que sí, que de la misma manera que existen planetas como la Tierra que tendrán paisajes parecidos a los que podemos contemplar en nuestro mundo, de igual forma, dichos planetas podrán albergar formas de vida que, habiéndo surgido en condiciones similares a las nuestras de Gravedad, Magnetismo, Radiación… Habrán seguido el mismo camino que tomamos nosotros y los otros seres que en la fauna terrestre nos acompañan.

En los extraños mares de otros planetas, sin tener en cuenta la composición química, es difícil imaginar que la evolución de lugar a una forma más sencilla de locomoción que la que se produce ondulando colas y aletas. Que la propia evolución encontraría este tipo de propulsión viene avalado por el hecho de que, incluso en la Tierra, esta evolución se ha produción de manera totalmente espontánea e independiente. Los peces desarrollaron la propulsión cola-aleta; después, ellos mismos evolucionaron hasta convertirse en tipos anfibios que se arrastraban por tierra firme hasta llegar a ser reptiles.

Ornitorrinco: ¿Mamífero, Ave o Reptil? Lo cierto es que, sin movernos de aquí, podemos ver los mismos extraños animales que nos podríamos encontrar en cualquier lugar situado en lejanos sistemas planetarios alumbrados por otras estrellas distintas a nuestro Sol. Allí como aquí en la Tierra, las mismas leyes, las mismas fuerzas, los mismos principios y los midsmos ritmos que el Universo impone por el inmenso Cosmos, estarían presentes.

Algunos  reptiles fueron evolucionando y dieron lugar a a los mamíferos. Pero cuando algunos de estos últimos regresaron al mar (los que luyego han sido ballenas y focas, por ejemplo), sus piernas volvieron a evolucionar hacia las formas de las aletadestinadas a la propulsión por el medio acuatico y a la navegación.

De la misma manera, cuesta imaginarse una manera más sencilla de volar por el aire que no sea utilizando las alas. De nuevo, también en la Tierra ha habido una evolución independiente y paralela de las alas. Los reptiles las desarrollaron a causa de la evolución, y llegaron a volar.


Los Pterodáctilos desaparecieron hace unos 100 millones de años

Lo mismo hicieron los insectos. Algunos mamíferos, como la ardilla voladora, desarrollaron alas para planear. El murciélago, otro mamífero, desarrolló unas alas excelentes. Algunas especies de peces, que saltan por encima del agua para evitar ser capturadas, se han provisto de alas de planeo.

                                 ¡La Naturaleza! ¿Qué no será posible para ella?

En tierra firme, ¿existe algún modelo más sencillo por el cual un animal puede desplazarce que no sea mediante apendices articulados? Las patas de un perro, desde el punto de vista mevcánico, no se diferencian demasiado de las de una mosca, pese a haber sufrido evoluciones completamente independientes una de otra. Evidentemente, la rueda es también, una máquina muy sencilla, útil para desplazarce por tierra, pero hay buenas razones técnicas que dificultan su evolución.

Recuerdo haber visto con los chicos cuando eran pequeños, aquella película en la que L. Frank Baum, en Ozma de Oz, inventó una raza de hombres, llamada “los rodadores” , con cuatro piernas como un perro pero que, cada una de ellas terminaba con una ruedecilla que les hacía correr velozmente para causar el pánico en la pequeña protagonista de la fantástica historia. Y, de la misma manera, si nos paramos a observar la Naturaleza y las criaturas que en ella han llegado a sugir, el asombro de tan fantástico logro, nos llega a dejar sin habla.

Pese a que ningún animal utiliza ruedas para autopropulsarce a través del suelo o del aite, sí existen bacterias que se mueven por los líquidos haciendo rodar sus flagelos a modo de propulsores.

Existen mecanismos de rotación en el interior de las células para esparcir filamentos retorcidos de ADN. Algunos aniumales unicelulares se desplazan a través del agua haciendo que ruede todo su cuerpo. Si estudiamos el mundo microscópico de esos infinitesimales seres, nos quedaríamos maravillados de la inmensa diversidad de mecanismos que utilizan para poder realizar sus actividades cotidianas.

Órganos sensoriales como los ojos y nariz también deben ser como son si la vida evoluciona hacia algún tipo de actividad inteligente avanzada. Las ondas electromagnéticas son ideales para dar al cerebro un cuidadoso “mapa” del mundo exterior. Las ondas de presión, transmitidas por moléculas, proporcionan pistas adicionales de gran valor sobre el entorno, y son captadas por los oídos. Las moléculas emanadas por una sustancia se detectan por la nariz.

                                        Por ahí fuera, cualquier cosa que podamos imaginar… ¡Podría ser posible!

No es imposible que puedan  existan culturas avanzadas extraterrestres inteligentes en las que el olfato y el gusto no sean solamente los sentidos dominantes, sino que también sean los que proporcionan los principales medios de comunicación entre individuos. Hasta hace muy pocos años,  los biólogos no han descubierto que, en especies animales terrestres, se transmite una gran cantidad de información mediante una transferencia directa de sustancias que ahora se denominan feromonas.

Puesto que tanto  la luz como el sonido y las moléculas existen efectivamente en otros planetas, parece que la evolución debería crear también sentidos que explotaran éstos fenómenos como excelente medio de control de las circunstancias de la vida. Aquí en la Tierra, por ejemplo, el ojo no  ha tenido menos de tres desarrollos independientes entre sí: Los ojos de los vertebrados, los ojos de los Insectos y los de las diversas clases de moluscos.

                                                    ¡La Naturaleza! Esa maravilla

El pulpo, por ejemplo, tiene un ojo particularmente bueno (de hecho, en algunos aspectos es mejor que el nuestro); posse párpados, córnea, iris, pupíla, retina igual que el ojo humano, ¡aunque ha evolucionado de forma completamente independiente del ojo de los vertebrados! Es difícil encontrar un ejemplo más sorprendente de cómo la evolución, actuándo según dos líneas de desarrollo desconectadas, puede llegar a crear dos instrumentos nada sencillos que, en esencia, poseen la misma función e idéntica estructura.

Los ojos, igual que otros órganos sensoriales, tienen buenas razones para constituir un tipo de cara habitual. En primer lugar, constituye una gran ventaja que ojos, nariz y oídos estén situados cerca de la boca, pués así son de utilidad para buscar alimentos. Asimismo, resulta ventajoso que estén colocados en las proximidades del cerebro: la sensibilidad está allí, y debe reaccionar para conseguir alimentos, eludir peligros y atisbar el mundo que nos rodea transmitiendo, por medio de los sentidos al cerebro, lo que pasa a nuestro alrededor.

El propio cerebro, al evaluar e interpretar los impulsos sensoriales, lo hace mediante redes eléctricas: una especie de microcomputador de inmensa complejidad. Los filamentos nerviosos que conducen los impulsos eléctricos pueden ser esenciales para el cerebro de los seres vivos avanzados (de ello hemos hablado aquí con frecuencia).

Si la vida en otros planetas llega a alcanzar el nivel de inteligencia de nuestra especie en la Tierra, parece probable que tendría al menos, algunos rasgos humanoides. La ubicación de los dedos en los extremos de los brazos reporta, evidentemente, indudables ventajas. De la misma manera y para su seguridad, el valioso cerewbro debe estar fuertemente encastado y, además, tan alejado del suelo como sea posible, su seguridad es esencial.

Imaginar podemos todo lo que a nuestras mentes pueda acudir, incluso seres con ojos en las puntas de los dedor pero, la Naturaleza es racional, no pocas veces decimos que es sabia y, si pensamos en todo lo que antes hemos heído y visto, no tenemos más remedio que aceptarlo: ¡La Naturaleza es realmente Sabia! y, lo mismo que aquí en la Tierra, habrá sabido conformar criaturas en esos mundos lejanos en los que, la diversidad, será tan abundante como lo es en nuestro propio planeta y, lo mismo que en él, en esos otros mundos estará presente la evolución y la adaptación al medio que, en definitiva, son las reglas que rigen cuando la vida está presente.

Todos los mundos tienen sus tormentas, posiblemente  oceános y auroras boreales, campos magnéticos y los ingredientes naturales que les define. Aunque todos los mundos no sean iguales, como ocurre con las estrellas constituidas de diferentes masas y materiales, lo cierto es que, dentro de esa diversidad, se van repitiendo una y otra vez los parámetros que existen para todas las cosas: mundos, estrellas, galaxias, meteoritos, nebulosas… ¡Seres vivos!

emilio silvera

¡La Mecánica cuántica! ¿Quién la entiende?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (3)

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Heisenberg

                    Werner Hesinberg

Sí, el principio cuántico es muy extraño. Cuando en 1927, el joven físico aleman Werner Heisenberg llegó al Principo de Indeterminación, la física moderno rompió de manera decisiva con la física clásica, una nueva Era comenzaba con otra manera de mirar el mundo que nos rodea a través de la Física. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas.

¡¡La mecánica cuántica!!, o, la perplejidad de nuestros sentidos ante lo que ese “universo cuántico” nos ofrece que, generalmente, se sale de lo que entendemos por sentido común. Ahí, en el “mundo” de los objetos infinitesimales, suceden cosas que, no siempre podemos comprender. Y, como todo tiene una razón, no dejamos de buscarla en cada uno de aquellos sorprendentes sucesos que en ese lugar tienen lugar. Podríamos llegar a la conclusión de que, la razón está en todo y solo la encontramos una vez que llegamos a comprender, mientras tanto, todo nos resulta extraño, irrazonable, extramundano y, algunas veces…imposible. Sin embargo, ahí está. Dos elementos actúan de común acuerdo para garantizar que no podamos descorrer el velo del futuro, de lo que será después (podemos predecir aproximaciones, nunca certezas), el principal de esos elementos es la ignorancia nunca podremos saber el resulktado final de éste o aquél suceso sin tener la certeza de las condiciones iniciales. En la mayoría de los sistemas físicos son, en mayor o menor medida dada su complejidad, del tipo caótico es tal que, el resultado de las interacciones entre elementos eson sumamente sensibles a pequeñísimas variaciones de los estados iniciales que, al ser perturbados mínimamente, hacen que el suceso final sea y esté muy alejado del que se creía al comienzo.

Desde las certezas que parecía darnos la mecánica clásica de Newton sobre la posición, trayectoria y velocidad de cualquier partícula microscópica o cuerpo celeste se nos echaba en brazos de la indeterminación cuántica. Ya no podía conocerse simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula con la infinita exactitud que se suponía, y el principio de indeterminación de Heisenberg parecía habernos desterrado del paraíso de las certidumbres clásicas. Pero ese paraíso nunca existió en realidad, desde un punto de vista puramente clásico se puede demostrar que la predictibilidad que se suponía a los sistemas clásicos nunca fue esencialmente cierta. Independientemente de la precisión con que conozcamos el estado inicial de un sistema clásico (no cuántico) las imprecisiones tienden a crecer, de forma natural, con el tiempo y nuestra información inicial puede llegar a ser inútil para predecir su evolución futura.

Ahora bien, esto se trata de ignorancia pura. Si fuésemos capaces de contralar las condiciones iniciales, y además pudiésemos considerar el estado de cada una de los cientos o miles de variables que influyen sobre el sistema, podríamos predecir con exactitud la velocidad y la trayectoria de unas bolas de billar, por ejemplo, en cualquier tiempo futuro. De hecho, la Ciencia se está volviendo extremadamente buena en controlar y calcular las condiciones de un sistema. Somos capaces de enviar naves espaciales a sitios muy distantes con una exactitud enorme (la Cassini es un buen ejemplo y, ayer mismo, teníamos aquí la partida de la Curiosity hacia el planeta Marte). Si sabemos contralar las condiciones iniciales (y no ocurren accidentes por el camino) podemos predecir, con ciertas garantías que, la nave llegará a su destino como se había calculado. Es decir, de alguna manera, estamos impidiendo ese principio de incertidumbre que está presente en todo lo que acontece en nuestras vidas, en el mundo y, en el Universo.

Nunca podremos estar seguros del resultado en una tirada de dados. En verdad, son pocas las cosas en las que podemos tener una completa certeza, y, aunque no lo sepamos, la razón está en la ignorancia de las condiciones iniciales y, en el caso de los dados en los factores que intervienen en el movimiento. Decimos entonces que la Naturaleza es aleatoria. Claro que, si yo tuviera que apostar con esos dados, sin dudarlo, escogería el 7. Esto es porque hay más maneras de formar 7 que cualquier otro número. Para más precisión, hay seis combinaciones de dados que darán un 8 o un 6. Claro que la certeza no existe y, entonces, recurrimos a las probabilidades. (Schrödinger creó su ecuación de la función de onda (Ψ) precisamente para contraponerla al principio de incertidumbre de Heisenberg, él nos situó en el campo de las probabilidades para “saber” dónde podría estar uan partícula.

 

En muchos aspectos, podría parecer recurrir a los druidas adivinos sectarios. Sin embargo, no es ese el camino a seguir. La investigación, el estudio y la observación nos darán las respuestas que buscamos en todos aquellos campos del saber que, para nuestro futuro, necesitamos conocer.

Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla (ahora cámara de chispas, más moderna y efectiva), registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino a través del vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, restándonos información de dónde estaba en un momento determinado.

Alternativamente, podemos irradiar el fotón -tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar su situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotogtafía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiénsonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Así que, el resultado es que estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos obtener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar.

Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

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Esquema de la formación de una traza en la cámara de niebla

Los físicos de partículas suelen encontrarse en sus vidas profesionales con el inconveniente de que aquello con lo que trabajan es tan sumamente pequeño que se vuelve indetectable tanto para el ojo humano como para los más avanzados sistemas de microscopía. Es cierto que en la actualidad se pueden conseguir imágenes en las que se distinguen átomos individuales cuando estos son lo suficientemente grandes, pero de ahí a poder visualizar un sólo protón, o un aún más pequeño electrón, hay un escalón insalvable para la técnica actual. Se han tomado espectros del electrón y, cada día, se avanza en esa direccción.

¿Cómo pueden, pues, los físicos saber que aquello con lo que trabajan no es un mero ente creado por su mente? ¿Cómo se pueden asegurar de que las partículas subatómicas existen en realidad? La respuesta es obvia: a través de su interacción con otras partículas o con otro sistema físico; y un ejemplo extraordinario de ello es, por ejemplo, en una cámara de niebla.

Claro que, la Indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico. Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la Física atómica clásica se creía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas -digamos protones- y a partir de los datos resultantes formular predicciones exactas de donde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg vino a demostrarnos que tal supuesto era falso, que nunca podremos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula.

Cualquier detector debe contener un medio sensible que quede perturbado al paso de la partícula a registrar (lo que “vemos” es la huella que deja la partícula al atravesar el medio) Esa perturbación debe poderse traducir a imágenes y datos numéricos que permitan reconstruir la trayectoria y calcular sus características.

Las imágenes de las partículas proceden de dos tipos de detectores: las cámaras de burbujas y los detectores electrónicos. En el primero, las partículas cargadas dejan a lo largo de su trayectoria una traza de burbujas de vapor que se puede ver y fotografiar. Es un proceso en cierto modo inverso al de la formación de una estela de vapor de agua al paso de los aviones a reacción.

Así que, el nuevo marco expuesto por el Principio de Indeterminación de Hesinberg cambió fundamentalmente nuestra visión del mundo de la física. Nos dio un nuevo conocimiento: A partir de aquel momento sabíamos que, no sólo la materia y la energía estaban cuantizadas sino que, también nuestro conocimiento del Universo lo estaba.

Cuanto más minuciosamente se examina el mundo subatómico, mayor parece la Indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. Los mismos radios orbitales están cuantízados, y el electrón simplemente deja de existir en un punto para aparecer simultáneamente en otro. Es el famoso “salto cuántico” que tanto desconcierta. Eso nos viene a demostrar que predecir exactamente la conducta de los átomos.

De modo similar, a como vimos antes, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protones pueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

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Imagen ilustrativa de la dualidad onda partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas, verdaderamente la mecánica cuántica puede resultar extraña debido a su complejidad, en su “universo” los comportamientos difieren de lo que nos dicta el sentido común en nuestras vidas cotidianas del mundo macroscópico.

Sin embargo, como todo lo grande está hecho de cosas pequeñas, necesitamos conocer lo pequeño para comprender lo grande. Hasta la estrella más grande y la galaxia más brillante del Cosmos, están conformadas de partículas subatómicas unas más elementales que otras.

En fin amigo, que tenemos en nuestras manos todos los interrogantes que debemos desvelar y, otros muchos, que ni conocemos, y, por delante una tarea de tal complejidad que,  posiblemente, nunca podremos acabar. Un sin fin de misterios  que desvelar, problemas que resolver y, preguntas que contestar y, siendo conscientes de que, sin descorrer el velo que esconde los secretos del Universo…poco podríamos avanzar, nos sumergimos en la difícil tarea de conquistar ese conocer de las cosas ignoradas para que, algún día en el futuro, podamos saber, al menos hacia dónde vamos.

Sabemos que el presente está cargado de pasado y que, el futuro, lo estará de presente. Si eso es así (que lo es), tratemos de mejorar este presente para que, el futuro, sea algo mejor de lo que hoy tenemos. Y, amigos, si queremos, podremos lograrlo.

Muchos de los pasajes aquí volcados han sido extraídos de la obra “La Aventura del Universo” de Timoty Ferris, profesor emérito de la Universidad de California que es un maestro indiscutible de la divulgación cientific, otros tienen otras fuentes y, alguna fracción del contenido puede ser de propia cosecha que, alguna cosa se va aprendiendo con el tiempo.

emilio silvera

¿Dos verdades incompatibles? La Cuántica y la Relatividad

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

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El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia desde hace décadas. El problema es el siguiente:

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo.

El otro pilar es la mecánica cuántica, que en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por el mismo Einstein, W. Heisemberg, Schrödinger, Dirac, Feynman, Niels Bohr y otros, que nos ofrece un marco teórico para comprender el universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Durante años de investigación, los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota; la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector, no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que  será debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de neutrones y agujeros negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado; las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo, este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

No obstante, el universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y a tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Siempre hemos querido saber qué pasa dentro de un Agujero Negro. Sin embargo, nadie entró nunca y regresó para poder contarlo. Según todos los indicios, lo que pueda caer dentro del agujero negro, una vez pasado el límite de irás y no volverás del horizonte de sucesos, quedará allí “triturado” hasta densidades inimaginables. No sabemos qué clase de materia es la que pueda confiormar una singularidad y qué es lo que pasa con las partículas de materia que allí pudieron llegar atraídas por la inmensa fuerza gravitatoria que el A.N. genera.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

No creo que eso pueda ser así. Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que abre la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique de una vez por todas las dos teorías más importantes de la física: mecánica cuántica + relatividad general.

La teoría de supercuerdas ha venido a darme la razón. Los intensos trabajos de investigación llevada a cabo durante las últimas décadas demuestran que puede ser posible la unificación de las dos teorías cuántica y relativista a través de nuevas y profundas matemáticas topológicas que han tomado la dirección de nuevos planteamientos más avanzados y modernos, que pueden explicar la materia en su nivel básico para resolver la tensión existente entre las dos teorías.

En esta nueva teoría de supercuerdas se trabaja en 10, 11 ó en 26 dimensiones, se amplía el espacio ahora muy reducido y se consigue con ello, no sólo el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general no se rechacen, sino que por el contrario, se necesitan la una a la otra para que esta nueva teoría tenga sentido. Según la teoría de supercuerdas, el matrimonio de las leyes de lo muy grande y las leyes de lo muy pequeño no sólo es feliz, sino inevitable.

Esto es sólo una parte de las buenas noticias, porque además, la teoría de las supercuerdas (abreviando teoría de cuerdas) hace que esta unión avance dando un paso de gigante. Durante 30 años, Einstein se dedicó por entero a buscar esta teoría de unificación de las dos teorías, no lo consiguió y murió en el empeño; la explicación de su fracaso reside en que en aquel tiempo, las matemáticas de la teoría de supercuerdas eran aún desconocidas.  Sin embargo, hay una curiosa coincidencia en todo esto, me explico:

Cuando los físicos trabajan con las matemáticas de la nueva teoría de supercuerdas, Einstein, sin que nadie le llame, allí aparece y se hace presente por medio de las ecuaciones de campo de la relatividad general que, como por arte de magia, surgen de la nada y se hacen presentes en la nueva teoría que todo lo unifica y también todo lo explica; posee el poder demostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en nuestro universo (desde la frenética danza de una partícula subatómica que se llama quark hasta el majestuoso baile de las galaxias o de las estrellas binarias bailando un valls, la bola de fuego del Big Bang y los agujeros negros) todo está comprendido dentro de un gran principio físico en una ecuación magistral.

Esta nueva teoría requiere conceptos nuevos y matemáticas muy avanzados y nos exige cambiar nuestra manera actual de entender el espacio, el tiempo y la materia. Llevará cierto tiempo adaptarse a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo su manejo y su entendimiento. No obstante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que se han realizado en la física del último siglo. De hecho, gracias a esta nueva y magnifica teoría, veremos que el conflicto a que antes me refería existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general no es realmente el primero, sino el tercero de una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que fueron resueltos como consecuencia de una revisión radical de nuestra manera de entender el universo.

El primero de estos conceptos conflictivos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, está referido a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz.

Isaac Newton y sus leyes del movimiento nos decía que si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, y las leyes del electromagnetismo de Maxwell decían que esto era totalmente imposible. Einstein, en 1.905, vino a solucionar el problema con su teoría de la relatividad especial y a partir de ahí le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo que, según esta teoría, no se pueden considerar separadamente y como conceptos fijos e inamovibles para todos, sino que por el contrario, el espacio-tiempo era una estructura maleable cuya forma y modo de presentarse dependían del estado de movimiento del observador que lo esté midiendo.

El escenario creado por el desarrollo de la relatividad especial construyó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones de Einstein es que ningún objeto (de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase) puede viajar a una velocidad superior a la de la luz. Einstein amplió su teoría en 1915 – relatividad general – y perfeccionó la teoría de la gravitación de Newton, ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad que estaba producida por la presencia de grandes masas, tales como planetas o estrellas, que curvaban el espacio y distorsionaban el tiempo. También la Luz acusa los efectos gravitatorios.

Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. La luna no se escapa y se mantiene ahí, a 400.000 Km de distancia de la Tierra, porque está influenciada por la fuerza de gravedad que ambos objetos crean y los mantiene unidos por esa cuerda invisible que tira de la una hacia la otra y viceversa. Igualmente ocurre con el Sol y la Tierra que, separados por 150 millones de kilómetros, están influidos por esa fuerza gravitatoria que hace girar a la Tierra (y a los demás planetas del Sistema Solar) alrededor del Sol.

Así las cosas, no podemos ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo, al contrario; según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de los sucesos.

   En el “universo” infinitesimal de las partículas ocurren cosas muy extrañas que no vemos en la vida cotidiana

El descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. Durante tres décadas desde 1.900, en que Max Planck publicó su trabajo sobre la absorción o emisión de energía de manera discontinua y mediante paquetes discretos a los que él llamo cuantos, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Así que el tercer conflicto estaba servido, la incompatibilidad manifiesta entre relatividad general y mecánica cuántica.

La forma geométrica ligeramente curvada del espacio que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica, lo cual era sin duda alguna el problema central de la física moderna.

Las dos grandes teorías de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, infalibles y perfectas por separado, no funcionaban cuando tratábamos de unirlas resulta algo incomprensible, y, de todo ello podemos deducir que, el problema radica en que debemos saber como desarrolar nuevas teorías que modernicen a las ya existentes que, siendo buenas herramientas, también nos resultan incompletas para lo que, en realidad, necesitamos.

emilio silvera