lunes, 26 de octubre del 2020 Fecha
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Un buen físico sin suerte: Paul Ehrenfest

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

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Arriba la fotografía del joven Paul Ehrenfest (18 enero 1880 a 25 septiembre 1933) fue un físico austriaco y holandés, quien hizo importantes contribuciones al campo de la mecánica estadística y su relación con la mecánica cuántica, incluyendo la teoría de la transición de fase y el teorema de Ehrenfest. Trabajó y ayudó a los físicos más importantes. Einsten decía de él:

“Ehrenfest no era solamente el mejor maestro en nuestra profesión que yo haya conocido; también estaba apasionadamente preocupado por el desarrollo y el destino de los hombres, especialmente de sus estudiantes. Entender a los demás, ganar su amistad y confianza, ayudar a cualquiera enzarzado en luchas externas o interiores, animar el talento joven; todo esto era su elemento real, casi más que su inmersión en problemas científicos.”

 

Estudiantes de Ehrenfest, Leiden 1924. De izquierda a derecha: Gerhard Heinrich Dieke , Samuel Abraham Goudsmit , Jan Tinbergen , Paul Ehrenfest, Ralph Kronig , y Enrico Fermi

Paul Erhrenfest era un santo Tomás dubitativo, pero era de sí mismo de quien dudaba. era un físico austríaco de mucho talento que trabajo con muchos de los máximos nombres de la ciencia a proncipios del siglo XX: Einstein, Heisenberg, Pauli, Dirac, todos se beneficiaron de su ayuda. Por encima de todo era un crítico incisivo, capaz de señalar los puntos débiles de cualquier argumento: la conciencia de la física. También era famoso por suis comentarios, como: “¿Por qué tengo tan buenos estudiantes? Porque soy muy estúpido”. O, “¿Usted dice eso por principio o sólo porque resulta que es cierto?”.

Image of Casimir, et al

Left to right: Hendrik Casimir (kneeling), Bart Bok, George Uhlenbeck, Samuel Goudsmit, Paul Ehrenfest, Mrs. Jaantje Logher Goudsmit, Enrico Fermi and Mrs. Else Uhlenbeck (sitting in front of Casimir). Credit: AIP Emilio Segrè Visual Archives.

Ehrenfest hizo importantesd contribuciones a la física en varias áreas y los estudiantes de licenciatura que estuan mecánica cuántica llegan invariablemente al “teorema de Ehrenfest”. Pero los niveles exigidos por Ehrenfest eran tan elevados que ni el podía estar a la altura. A pesar de la alta estima en que otros lo tenían y que le llevó a ser invitado a ocupar la cátedra de física de Leiden en 1912, cuando sólo tenía 32 años, Ehrenfest sufría de baja autoestima. Llegó a estar frustrado por su incapacidad de seguir el rápido ritmo de los desarrollos en la física cuántica y su Naturaleza cada vez más metafísica,

Einstein y Ehrenfest creían en una realidad objetiva inteligible para el hombre y en las leyes causales, y se opusieron de forma enérgica a la mecánica cuántica; Born y Bohr fueron los creadores de las concepciones más importantes contrarias a la causalidad y a la inteligibilidad, e incluso limitaron de un modo considerable la relevancia del concepto de realidad física. El caso de Schrodinger era más complicado, aunque rechazaba también la síntesis cuántica elaborada por Bohr. Todos ellos se opusieron al nazismo, aunque tenían diferentes opiniones políticas.

Ehrenfest dirigía seminarios los martes en la Universidad de Leyden en donde intervenían los grandes científicos de la época. Allí nació y se consolidó la hipótesis sobre el spin del electrón, y Ehrenfest fue su impulsor. También intervino como iniciador y organizador de la famosa polémica entre Bohr y Einstein.

Paul Ehrenfest dejó tras de sí ideas físicas que sobrevivieron la memoria de sus discípulos y amigos. Tendió un puente sobre el abismo que en la mente de sus contemporáneos separaba los fenómenos cuánticos de los clásicos por medio del conocido teorema de Ehrenfest, propuesto en un artículo en 1927. En él radica la esencia del principio de correspondencia que en 1918 formuló Niels Bohr.

Hay cuetiones y situaciones en la vida de una persona que, se tienen que vivir para poder comprender hasta que punto se puede uno ver afectado por los hechos y, si además, resulta que no eres de un carácter fuerte, las cosas se agravan hasta llegar a lo inevitable. El carácter apocado de este personaje se ahondó, exacerbado por los graves problemas mentales de su hijo Wassik, con síndrome de Down. Ludwig Boltzmann, que fue supervisor de Ehrenfest, se había suicidado en 1906 desesperado por la falta de reconocimiento de su trabajo, Paul Ehrenfest hizo lo mismo el 25 de Septeimbre de 1933, pegándose un tiro después de haber disparado a su hijo en la sala de espera del médico.

Ehrenfest demostró que en mundos con más de tres dimensiones no podían existir átomos estables en absoluto. O bien los electrones caían al núcleo en una trayectoria espiral o bien se dispersaban. Tambioén advirtió que las ondas tridimensiopnales tienen propiedades muy especiales. Sólo en tres dimensiones viajan las ondas en el espacio libre sin distorsión o reververación. El el mundo de dimensiones del espacio es par (dos, cuatro, seis…), entonces las diferentes partes de una perturbación ondulataria viajan a velocidades diferentes.

Como resultado, si la emisión ondulatoria es continua habrá reververación en el receptor: ondas que salen en distnates diferentes llegarán al mismo tiempo. Si el número de dimensiones del espacio es un número impar, todas las perturbaciones viajan a la misma velocidad, pero si hay tres dimensiones la onda se distorsionará cada vez más. Las omndas tridimensionales son especiales.

El imaginativo estudio de Ehrenfest demostraba que las dimensiones del mundo tiene un efecto de largo alcance sobre cómo son las cosas. Los mundos tridimensionales son muy inusuales. Imponen propiedades espciales a las leyes y constantes de la Naturaleza.

Pese a todo, Ehrenfest no fue más lejos en 1917 y no extrajo conclusiones filosóficas especiales de sus resultados. No fue el primero en advertir que había algo especial en las órbitas planetarias en mundos tridimensilaneles.

William Paley había explicado ya en 1802 las características únicas en apoyo de la Ley inversa del cuadrado de la gravedad, y el examen que hizo Vallace en 1905 en su libro El lugar del hombre en el Universo habían reiterado estas características especiales. Pero estos autores habían escrito anteas de que hubiera surgido la teoría cuántica de la materia y Ehrenfest podía hacer un razonamiento mucho más completo y más profundo sobre la singularidad física de los mundos tridimensionales.

Paul Ehrenfest

Como profesor de la Universidad de Leiden en Holanda, Ehrenfest aplica un poco el pragmatismo estadounidense que asimiló en sus viajes a América, y crea un enlace entre los académicos y los ingenieros en pro del desarrollo industrial del país. El laboratorio experimental de la empresa Philips, por ejemplo, fue alimentado por alumnos de Leiden.

Asimismo, gradúo a varios físicos que resultaron valiosos no sólo en el campo de la física. Por ejemplo, Jan Tinbergen, alumno de Ehrenfest, aplicó conceptos de la termodinámica a la economía y se hizo acreedor al primer Premio Nobel de Economía en 1969.

Resumen

En los orígenes de la física cuántica, a principios del siglo XX, la asimilación y maduración de las nuevas teorías requirió del establecimiento de vínculos con sus antecesoras, antes de poder desprenderse de ellas y formar una nueva estructura totalizadora de comprensión en esta disciplina. Se han escrito artículos analizando el papel que jugó Paul Ehrenfest en una parte de ese proceso. Por una parte hay que destacar el paralelismo de sus investigaciones con las de Niels Bohr, mostrando cómo el trabajo conjunto de ambos nos permite argumentar en favor de la continuidad conceptual en el desarrollo de teorías científicas. Sin embargo, también se muestra que dicha continuidad tiene un límite. En este caso también podríamos hablar del análisis que Paul Ehrenfest y Albert Einstein hacen del experimento de Stern–Gerlach para mostrar que, en una revolución del conocimiento, al final surgen en verdad nuevos paradigmas con los que finalmente las nuevas teorías se desprenden de las anteriores.

Hay personajes que pudieron llegar a la más  alta cumbre científica y, sin embargo, por su caracter, las circuntancias de sus vidas y otros elementos que no pudieron soslayar, le dejaron casi… en el anonimato y, algunos, como es el caso de nuestro personaje de hoy, dejó al menos, una muestra de su talento.

emilio silvera

¡¡Qué personaje!!

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La complejidad nos rodea y está presente en la Naturaleza. Nosotros mismos, ¡llevamos consigo tanta!
Hablemos ahora de un personaje singular que, siendo muy buen físico, ha tenido que soportar unas condiciones de vida bastante duras y, postergado a una silla mecánica y sin poder expresar sus pensamientos de manera directa, ha tenido que recurrir a tecnologías avanzadas que le permitiera comunicarse con el mundo.

Hawking con su primera Esposa. Fotografía de Martin P.

¿Quién no conoce al personaje y no ha leído, al menos, uno de sus libros? Hawking es un pensador arriesgado. Siempre ha mucho más dispuesto que la mayoría de sus colegas físicos a emprender el vuelo en direcciones radicalmente nuevas, si dichas direcciónes “huelen” bien. Un ejemplo es el del Horizonte absoluto en los agujeros negros que “olía” bien para él, así que lo aceptó a pesar de su naturaleza radical, y su aceptación tuvo recompensa. En pocos meses Hawking y James Hartle fueron capaces de derivar, a partir de las leyes de la relatividad general de Einstein, un conjunto de ecuaciones elegantes que describen como el horizonte absoluto se expande y cambia su de manera continua y suave, anticipándose a los residuos o a las ondas gravitatorias que éste engulle o anticipándose a ser atraído por la gavedad de otros cuerpos.

La osadía de éte físico, de éste personaje, quedó patente cuando realizó aquellas declaraciones que salieron en la prensa y medios de casi todo el mundo:  “El físico británico Stephen Hawking realizó unas curiosas declaraciones el Discovery Channel,  en las que afirmaba que la vida extraterrestre  “casi seguramente sí existe” ,  muy probablemente como vida a nivel celular y en menor medida pero también, como vida inteligente.  Además dice verlo como algo perfectamente racional.

Por  otra, aconsejó que los humanos no buscasen (como sucede con el proyecto SETI) mantener relaciuones con ellos, ya que algunos podrían ser hostiles y saldríamos perjudicados. A muchos les ha sorprendido que el científico acudiese a la comparación con la llegada de Colón a Ámerica y como afectó a los indigenas. Realmente Hawking, no aludió más que a una teoría del encuentro entre civilizaciones que explica que antre un encuentro entre dos o más civilizaciones,  siempre tiende a perder más, la civilización menos evolucionada (la cual, en un encuentro con una civilización extraterrestre avanzada, sería nuestro caso).”

Sus numerosas publicaciones incluyen La Estructura a Gran Escala del Espacio-tiempo con G. F. R. Ellis, Relatividad General: Revisión en el Centenario de Einstein con W. Israel, y 300 Años de Gravedad, con W. Israel. Stephen Hawking ha publicado tres de divulgación: su éxito de ventas Breve historia del tiempo (Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros), Agujeros negros y pequeños universos y otros ensayos, en 2001 El universo en una cáscara de nuez, en 2005 Brevísima historia del tiempo, una versión de su libro homónimo adaptada un público más amplio.

Allá por el mes de noviembre de 1970, Stephen Hawking empez´p a dar grandes pasos como físico. Ya había hecho varios descubrimientos importantes, pero tofavía no era una figura destacada. No pocos nos hemos podido preguntas: ¿Cómo,  con esa grave incapacidad, ha sido capaz Hawking de superar en pensamiento e intuición a sus destacados colegas competidores, personas como Roger Penrose, Werner Israel  y también (entre otros), Yakog Borisovich Zel´dovich? Ellos pueden hacer uso de sus manos, podían dibujar y hacer esquemas, realizar cálculos con lápiz y papel de muchas páginas de longitud -cálculos de cuyo desarrollo uno registraba muchos resultados complejos intermedios, y luego vuelve atrás, los toma uno a uno y los amplía obtener un resultado final; cálculos que es difícil concebir que alguien sea capaz de hacer en su cabeza. Para comienzos de los años setenta, las manos de Hawking estaban básicamente paralizadas; no podía ya hacer dibujos ni escribir para desarrollar ecuaciones. Su investigación tenía que desarrollarse enteramente en su cabeza.

En marzo de 1959 Hawking se presentó a las convocatorias de becas con el propósito de estudiar Ciencias Naturales en Oxford; consigue una beca, y se licencia en Física en 1962. Desde Oxford, Hawking se trasladó a Cambridge para la investigación en relatividad general y cosmología; unas áreas difíciles alguien con poca base matemática. En aquel tiempo, Hawking había notado que se había vuelto más torpe y físicamente débil, y en la Navidad de 1962 su madre lo convenció para que viese a un médico.

A principios de 1963, pasó dos semanas haciéndose pruebas en el hospital, donde le diagnosticaron una enfermedad neuronal motora: la esclerosis lateral amiotrófica o enfermedad de Lou Gehrig. Su estado se deterioró rápidamente y los médicos le pronosticaron que no viviría lo suficiente para acabar su doctorado. Sin embargo, Hawking escribió:  “Aunque había una sobre mi futuro, descubrí para mi sorpresa que estaba disfrutando la vida en el presente más de lo que lo había hecho antes. Empecé a avanzar en mi investigación”

En su libro Agujeros negros y pequeños universos y otros ensayos , editado en 1993, afirmó:  “La ciencia podría afirmar que el universo tenía que haber conocido un comienzo (…) A muchos científicos no les agradó la idea de que el universo hubiese tenido un principio, un de creación”.  “En el universo primitivo está la respuesta a la pregunta fundamental sobre el origen de todo lo que vemos hoy, incluida la vida”

Puesto que la pérdida de control de sus manos fue lenta, Hawking tuvo tiempo para adaptarse. Ha entrenado su mente poco a poco para pensar de una diferente de como lo hacen las mentes de los otros físicos: piensa con nuevos tipos de imágenes intuitivas y ecuaciones mentales que, para él, han reemplazado a las ecuciones y los dibujos y ecuaciones escritas con papel y lápiz. Las imágenes y las ecuaciones mentales de Hawking han resultado ser más potentes que las viejas imágenes de lápiz y papel para cierto tipo de problemas, y menos potentes para otros, y él a aprendido poco a poco a concncentrarse en problemas para los que sus nuevos métodos dan una potencia mayor, una potencia que nadie puede empezar a igualar.

          Personaje mediático, ha sido agasajado de mil maneras

Alrededor del año 2004 propuso su nueva teoría acerca de las “simas o agujeros negros” un término que por lo general se aplica a los restos de estrellas que sufrieron un colapso gravitacional después de agotar todo su combustible nuclear. Según Hawking, el universo está prácticamente lleno de “pequeños agujeros negros” y considera que estos se formaron del material original del universo.

Ha declarado acerca del origen del universo:

“En la teoría clásica de la relatividad general [...] el principio del universo que ser una singularidad de densidad y curvatura del espacio-tiempo infinitas. En esas circunstancias dejarían de regir todas las leyes conocidas de la física (…) Mientras más examinamos el universo, descubrimos que de ninguna manera es arbitrario, sino que obedece ciertas leyes bien definidas que funcionan en diferentes campos. Parece muy razonable suponer que haya principios unificadores, de modo que todas las leyes sean de alguna ley mayor”

 

La discapacidad de Hawking le ha ayudado de otras maneras. Como él mismo ha comentado a menudo, le ha liberado de la responsabilidad de dar clases a los estudiantes universitarios, y por ello ha tenido mucho más tiempo libre para investigar del que han podido tener sus colegas más sanos. Más importante quizá, es que su enfermedad ha mejorado en algunas formas su actitud la vida.

Hawking contrajo el ALS en 1963, poco después de que empezace los estudios de postgrado en la Universidad de Cambidge. El ALS es el global para una variedad de enfermedades neuronales motoras, la mayoría de las cuales llevan rápidamente a la muerte. Creyendo que sólo le quedaban unos pocos años de vida, Hawking perdió inicialmente su entusiasmo por la vida y la física. Sin embargo, para el invierno de 1964-65 se hizo evidente que la suya era una variación extraña de ALS, una variante que mina el control del sistema nervioso central sobre los músculos a lo largo de muchos años de tiempo, y no sólo en unos pocos. Repentinamente la vida le parecía maravillosa. Regreso a la física con mayor vigor y entusiasmo que cuando era un estudiante de licenciatura.

Se casó con Jane Wilde, a quien había conocido después de contraer el ALS y de quien se había enamorado durante la promera fase de su enfermedad. El matrimonio de Stephen y Jane (sin ningún género de dudas) fue esencial su éxito y su felicidad en los años sesenta y setenta y entrando en los ochenta.

Hawking ha trabajado en las leyes básicas que gobiernan el universo. Junto con Roger Penrose mostró que la Teoría General de la Relatividad de Einstein implica que el espacio y el tiempo han de tener un principio en el Big Bang y un dentro de agujeros negros. Semejantes resultados señalan la necesidad de unificar la Relatividad General con la Teoría Cuántica, el otro gran desarrollo científico de la primera mitad del siglo XX. Una consecuencia de tal unificación que él descubrió era que los agujeros negros no eran totalmente negros, sino que podían emitir radiación y eventualmente evaporarse y desaparecer. Otra conjetura es que el universo no bordes o límites en el tiempo imaginario. Esto implicaría que el modo en que el universo empezó queda completamente determinado por las leyes de la ciencia.

Hawking perdió el uso de sus miembros y más tarde, más lentamente, el de su voz. En junio de 1965, él andaba con la ayuda de un bastón y ya su voz era algo temblorosa. En 1970 necesitaba un de cuatro patas. En 1972 estaba ya confinado en una silla de ruedas motorizada y habría perdido ya, básiocamente, la capacidad de escribir, pero aun, con dificultad, podía alimentarse. En 1975 ya no podía alimentarse por sí mismo, y solo las personas muy acostumbradas a su habla podían entenderlo. En 1981, ni las personas más cercanas podían ya entenderlo. En 1985 sus pulmones ya no podían drenar y tuvo que ser sometido a complicadas operaciones. El precio fue alto: perdió completamente su voz. Para compensarlo, adquirió un sintetizador de voz controlado por ordenador con un acento norteamericano por el que él se disculpana tímidamente. Ver como por ese medio llega a construir las frases es, al menos penoso, no puede producir más de una frase corta por minuto, sin embartgo, tales dificultades se ven compensadas cuando, las frases son enunciadas claramente por el sintetizador, y con frecuencia son perlas.

Sí, a pesar de todos los inconvenientes físicos del personaje, ¿qué duda cabe de que supo, alcanzar la felicidad en su vida privada y triunfó en el ámbito profesional? El mérito de Stephen no siempre es reconocido en toda su grandeza. Sus logros en el campo de la Física son importantes y su historial se puede leer en cualquier .

Él también fue joven como todos nosotros y, a pesar de la enorme prueba que tuvo que superar, ha logrado todo lo que un ser humano puede alcanzar durante una vida tan corta como la que se nos da. Aquí, en este humilde lugar, le hacemos hoy un reconocimiento a todos sus logros y, sobre todo, expresamos nuestra inmensa admiración por el valor demostrado ante la vida, ya que, en sus circunstancias, no todos habrían podido superarla.

Como a él le gusta hacer, de vez en cuando apabulla a sus colegas con ideas que… ¡Son verdaderamente sorprendentes! La última es que ha declarado que: ¡Los agujeros negros no existen! Lástima que en los últimos tiempos lo estén utilizando como objeto de negocio.

¡Qué personaje!

emilio silvera

Recordemos a un personaje, unos hechos

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                                        Nuevos sistemas planetarios se forman en Orión

Euclides nos presentaba un universo de espacios planos y, dos mil años más tarde, llegó Riemann y nos habló de un Universo curvo

Recordemos aquí un extraño caso que surgió el día 10 de Junio de 1.854 con el nacimiento de una nueva geometría: la teoría de dimensiones más altas que fue introducida cuando Georg Friedrich Bernhard Riemann que dio su célebre conferencia en la facultad de la Universidad de Göttingen en Alemania. Aquello fue como abrir de golpe todas las ventanas cerradas durante 2.000 años de una lóbrega habitación que, de pronto, se ve inundada por la luz cegadora de un Sol radiante. Riemann regaló al mundo las sorprendentes propiedades del espacio multidimensional.

“¿Cuál es exactamente la geometría del universo? ¿Vivimos dentro de una especie de esfera de múltiples dimensiones o se trata más bien de un tejido espaciotemporal que se curva suavemente y sin llegar nunca a cerrarse sobre sí mismo? ¿O puede que incluso no se curve en absoluto y que en realidad habitemos en un universo plano? La cuestión, uno de los mayores interrogantes de la Cosmología, tiene para nosotros implicaciones muy concretas y que van mucho más allá de ser simples cuestiones teóricas. De hecho, la geometría del universo influye de forma decisiva en los objetos que observamos.”

El ensayo de Riemann, de profunda importancia y elegancia excepcional, “sobre las hipótesis que subyacen en los fundamentos de la geometría” derribó pilares de la geometría clásica griega, que habían resistido con éxito todos los asaltos de los escépticos durante dos milenios. La vieja geometría de Euclides, en la cual todas las figuras geométricas son de dos o tres dimensiones, se venía abajo, mientras una nueva geometría riemanniana surgía de sus ruinas. La revolución riemanniana iba a tener grandes consecuencias para el futuro de las artes y las ciencias. En menos de tres decenios, la “misteriosa cuarta dimensión” influiría en la evolución del arte, la filosofía y la literatura en toda Europa. Antes de que hubieran pasado seis decenios a partir de la conferencia de Riemann, Einstein utilizaría la geometría riemanniana tetradimensional para explicar la creación del universo y su evolución mediante su asombrosa teoría de la relatividad general. Ciento treinta años después de su conferencia, los físicos utilizarían la geometría decadimensional para intentar unir todas las leyes del universo. El núcleo de la obra de Riemann era la comprensión de las leyes físicas mediante su simplificación al contemplarlas en espacios de más dimensiones.

Contradictoriamente, Riemann era la persona menos indicada para anunciar tan profunda y completa evolución en el pensamiento matemático y físico. Era huraño, solitario y sufría crisis nerviosas. De salud muy precaria que arruinó su vida en la miseria abyecta y la tuberculosis.

Riemann nació en 1.826 en Hannover, Alemania, segundo de los seis hijos de un pobre pastor luterano que trabajó y se esforzó como humilde predicador para alimentar a su numerosa familia que, mal alimentada, tendrían una delicada salud que les llevaría a una temprana muerte. La madre de Riemann también murió antes de que sus hijos hubieran crecido.

A edad muy temprana, Riemann mostraba ya los rasgos que le hicieron famoso: increíble capacidad de cálculo que era el contrapunto a su gran timidez y temor a expresarse en público. Terriblemente apocado era objeto de bromas de otros niños, lo que le hizo recogerse aún más en un mundo matemático intensamente privado que le salvaba del mundo hostil exterior.

Legendre: Geometría
Portada de la décimo primera edición de los “Eléments de Geométrie” de A. M. Legendre (1794)

Para complacer a su padre, Riemann se propuso hacerse estudiante de teología, obtener un puesto remunerado como pastor y ayudar a su familia.  En la escuela secundaria estudió la Biblia con intensidad, pero sus pensamientos volvían siempre a las matemáticas. Aprendía tan rápidamente que siempre estaba por delante de los conocimientos de sus instructores, que encontraron imposible mantenerse a su altura. Finalmente, el director de la escuela dio a Riemann un pesado libro para mantenerle ocupado. El libro era la Teoría de números de Adrien-Marie Legendre, una voluminosa obra maestra de 859 páginas, el tratado más avanzado del mundo sobre el difícil tema de la teoría de números. Riemann devoró el libro en seis días.

Cuando el director le preguntó: “¿hasta dónde has leído?”, el joven Riemann respondió: “este es un libro maravilloso. Ya me lo sé todo”.

Sin creerse realmente la afirmación de su pupilo, el director le planteó varios meses después cuestiones complejas sobre el contenido del libro, que Riemann respondió correctamente.

                                                                    Universität Göttingen

Con mil sacrificios, el padre de Riemann consiguió reunir los fondos necesarios para que a los 19 años pudiera acudir a la Universidad de Göttingen, donde encontró a Carl Friedrich Gauss, el aclamado por todos “Príncipe de las Matemáticas”, uno de los mayores matemáticos de todos los tiempos. Incluso hoy, si hacemos una selección por expertos para distinguir a los matemáticos más grandes de la Historia, aparecerá indudablemente Euclides, Arquímedes, Newton y Gauss.

Los estudios de Riemann no fueron un camino de rosas precisamente.  Alemania sacudida por disturbios, manifestaciones y levantamientos, fue reclutado en el cuerpo de estudiantes para proteger al rey en el palacio real de Berlín y sus estudios quedaron interrumpidos.

En aquel ambiente, el problema que captó el interés de Riemann fue el colapso que, según el pensaba, suponía la geometría euclidiana, que mantiene que el espacio es tridimensional y “plano” (en el espacio plano, la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta; lo que descarta la posibilidad de que el espacio pueda estar curvado, como en una esfera).

Para Riemann, la geometría de Euclides era particularmente estéril cuando se la comparaba con la rica diversidad del mundo. En ninguna parte veía Riemann las figuras geométricas planas idealizadas por Euclides. Las montañas, las olas del mar, las nubes y los torbellinos no son círculos, triángulos o cuadrados perfectos, sino objetos curvos que se doblan y retuercen en una diversidad infinita. Riemann, ante aquella realidad, se rebeló contra la aparente precisión matemática de la geometría griega, cuyos fundamentos, descubrió él, estaban basados en definitiva sobre las arenas movedizas del sentido común y la intuición, no sobre el terreno firme de la lógica y la realidad del mundo.

Euclides nos habló de la obviedad de que un punto no tiene dimensión.  Una línea tiene una dimensión: longitud. Un plano tiene dos dimensiones: longitud y anchura. Un sólido tiene tres dimensiones: longitud, anchura y altura. Y allí se detiene. Nada tiene cuatro dimensiones, incluso Aristóteles afirmó que la cuarta dimensión era imposible. En Sobre el cielo, escribió: “La línea tiene magnitud en una dirección, el plano en dos direcciones, y el sólido en tres direcciones, y más allá de éstas no hay otra magnitud porque los tres son todas”. Además, en el año 150 d. C. el astrónomo Ptolomeo de Alejandría fue más allá de Aristóteles y ofreció, en su libro sobre la distancia, la primera “demostración” ingeniosa de que la cuarta dimensión es imposible.

En realidad, lo único que Ptolomeo demostraba era que era imposible visualizar la cuarta dimensión con nuestros cerebros tridimensionales (de hecho, hoy sabemos que muchos objetos matemáticos no pueden ser visualizados, aunque puede demostrarse que en realidad, existen). Ptolomeo puede pasar a la Historia como el hombre que se opuso a dos grandes ideas en la ciencia: el sistema solar heliocéntrico y la cuarta dimensión.

La ruptura decisiva con la geometría euclidiana llegó cuando Gauss pidió a su discípulo Riemann que preparara una presentación oral sobre los “fundamentos de la geometría”. Gauss estaba muy interesado en ver si su discípulo podía desarrollar una alternativa a la geometría de Euclides.

Riemann

Riemann desarrolló su teoría de dimensiones más altas.

Finalmente, cuando hizo su presentación oral en 1.854, la recepción fue entusiasta. Visto en retrospectiva, esta fue, sin discusión, una de las conferencias públicas más importantes en la historia de las matemáticas. Rápidamente se entendió por toda Europa la noticia de que Riemann había roto definitivamente los límites de la geometría de Euclides que había regido las matemáticas durante dos milenios.

Riemann creó su tensor métrico para que, a partir de ese momento, otros dispusieran de una poderosa herramienta que les hacía posible expresarse, a partir del famoso teorema de Pitágoras (uno de los grandes descubrimientos de los griegos en matemáticas que establece la relación entre las longitudes de los tres lados de un triángulo rectángulo: afirma que la suma de los cuadrados de los lados menores es igual al cuadrado del lado mayor, la hipotenusa; es decir, si a y b son los longitudes de los dos catetos, y c es la longitud de la hipotenusa, entonces a2 + b2 = c2.  El teorema de Pitágoras, por supuesto, es la base de toda la arquitectura; toda estructura construida en este planeta está basada en él. Claro que, es una herramienta para utilizar en un mundo tridimensional).

matriz

El tensor métrico de Riemann, o N dimensiones, fue mucho más allá y podemos decir que es el teorema para dimensiones más altas con el que podemos describir fenómenos espaciales que no son planos, tales como un remolino causado en el agua o en la atmósfera, como por ejemplo también la curvatura del espacio en presencia de grandes masas. Precisamente, el tensor de Riemann permitió a Einstein formular su teoría de la gravedad y posteriormente lo utilizo Kaluza y Klein para su teoría en la quinta dimensión de la que años más tarde se derivaron las teorías de supergravedad, supersimetría y, finalmente, las supercuerdas.

Para asombro de Einstein, cuando tuvo ante sus ojos la conferencia de Riemann de 1.854 que le había enviado su amigo Marcel Grossman, rápidamente se dio cuenta de que allí estaba la clave para resolver su problema.  Descubrió que podía incorporar todo el cuerpo del trabajo de Riemann en la reformulación de su principio. Casi línea por línea, el gran trabajo de Riemann encontraba su verdadero lugar en el principio de Einstein de la relatividad general. Esta fue la obra más soberbia de Einstein, incluso más que su celebrada ecuación E = mc2. La reinterpretación física de la famosa conferencia de Riemann se denomina ahora relatividad general, y las ecuaciones de campo de Einstein se sitúan entre las ideas más profundas de la historia de la ciencia.

No sería justo reconocer aquí que Riemann, tiene mucho que ver en ese gran logro de Einstein (Relatividad General), y de toda la física en lo que a la geometría de espacios curvos se refiere…

emilio silvera

¿Cuánta materia vemos?

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                                          La constante de Hubble en función de la Densidad Crítica

La cantidad total de Materia del Universo se da generalmente en términos de una cantidad llamada Densidad Crítica, denotada por Ω. Esta es la densidad de la materia que se necesita para producir un universo plano. Si Densidad efectivamente observada es menor o mayor que ese , en el primer caso el Universo es abierto, en el segundo es cerrado. La Densidad Crítica no es muy grande; corresponde aproximadamente a un protón por metro cúbico de espacio. Puede que no parezca mucho, dado el número inmenso de átomos en un metro cúbido de lodo, pero no debemos olvidar que existe una gran cantidad de espacio “vacío” las galaxias.

Algunos números que definen nuestro Universo:

  • El de fotones por protón
  • La razón densidades de Materia Oscura y Luminosa.
  • La Anisotropía de la Expansión.
  • La falta de homogeneidad del Universo.
  • La Constante Cosmológica.
  • La desviación de la expansión respecto al valor crítico.
  • Fluctuaciones de vacío y sus consecuencias.
  • ¿Otras Dimensiones?

 

 

”distribución_materia_oscura_y_materia_bariónica”

En las últimas medidas realizadas, la  Densidad crítica que es la densidad necesaria que la curvatura del universo sea cero, ha dado el resultado siguiente:  r0 = 3H02/8pG = 1.879 h2 10-29 g/cm3, que corresponde a una densidad tan baja la de la masa de 2 a 3 átomos de hidrógeno por metro cúbico (siempre, por supuesto obviando la incertidumbre en la constante de Hubble).

Estimar la cantidad de materia luminosa del universo es una cosa muy fácil de hacer. Sabemos el brillo que tiene una estrella media, así que podemos hacer una estimación del de estrellas de una galaxia distante. Podemos contar entonces el número de galaxias en un volumen dado de espacio y sumar las masas que encontramos. Dividiendo la masa por el volumen del espacio obtenemos la densidad media de materia en ese volumen. Cuando llevamos a cabo esta operación, obtenemos que la densidad de la materia luminosa es aproximadamente entre el uno o dos % menor de la densidad crítica; es decir, menos de lo que se necesita cerrar el universo.

Por otro lado, está lo bastante cerca del valor crítico para hacer una pausa. Después de todo, esta fracción podría haber sido en principio de una billonésima o trillonésima, y también podría haber sucedido que fuese un millón de veces la materia necesaria para el cierre. ¿Por qué, entre todas las masas que podría tener el universo, la masa de materia luminosa medida está cerca del valor crítico?

 

Claro que el hecho de que la materia luminosa medida esté tan cercana al valor crítico, simplemente deberse a un accidente cósmico; las cosas simplemente “resultan” de ese modo. Me costaría mucho aceptar una explicación y supongo que a otros también. Es tentador decir que el Universo tiene en realidad la masa crítica, pero que de algún modo no conseguimos verla toda.

Como resultado de esta suposición, los astrónomos comenzaron a hablar de la “masa perdida” con lo que aludían a la materia que habría llenado la diferencia densidades observadas y crítica. Tales teorías de “masa perdida”, “invisible” o, finalmente “oscura”, nunca me ha gustado, toda vez que, hablamos y hablamos de ella, damos por supuesta su existencia sin haberla visto ni saber, exactamente qué es, y, en ese plano, parece como si la Ciencia se pasara al ámbito religioso, la fe de creer en lo que no podemos ver ni tocar y, la Ciencia, amigos míos, es otra cosa.

http://esamultimedia.esa.int/images/dtos/mission/C2_goce.jpg

Tendremos que imaginar satélites y sondas que, de alguna manera, puedan detectar grandes halos galácticos que encierren la tan buscada materia oscura y que, al parecer, hace que nuestro Universo sea lo conocemos y, es la responsable del ritmo al que se alejan las galaxias, es decir, la expansión del Universo.

Esos halos, tendrían muchas veces las masas que podemos ver en la Materia luminosa de las estrellas, planetas, galaxias y nosotros mismos. La teoría de la materia oscura y su presencia en cúmulos y supercúmulos ha sido “descubierta” (o inventada tapar nuestra ignorancia) en época relativamente cercana para que prevalezca entre los astrónomos la uninimidad respecto a su contribución a la masa total del universo. El debate continúa, está muy vivo y, es el tema tan candente e importante que, durará bastante tiempo mientras algún equipo de observadores no pueda, de una vez por todas, demostrar que, la “materia oscura” existe, que nos digan donde está, y, de qué está conformada y actúa. Claro que, cuando se haga la suma de materia luminosa y oscura, la densidad de la masa total del universo no será todavía mayor del 30% del valor crítico. A todo esto, ocurren sucesos que no podemos explicar y, nos preguntamos si en ellos, está implicada la Materia oscura.

La más abarrotada colisión de cúmulos galácticos ha sido identificada al combinar información de tres diferentes telescopios. El resultado brinda a los científicos una posibilidad de aprender lo que ocurre algunos de los más grandes objetos en el universo chocan en una batalla campal cósmica.

MACSJ0717.5+3745

Usando del Observatorio de rayos-X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio Keck de Hawai, los astrónomos fueron capaces de determinar la geometría tridimensional y el movimiento en el sistema MACSJ0717.5+3745 localizado a 5.4 mil millones de luz de la Tierra. Los investigadores encontraron que cuatro distintos cúmulos de galaxias están envueltos en una triple fusión, la primera vez que un fenómeno así es documentado.

MACSJ0717.5+3745 etiquetado

La composición de imagen (arriba de todo) muestra el cúmulo de galaxias masivo MACSJ0717.5+3745. El color del gas caliente está codificado con colores mostrar su temperatura. El gas más frío es mostrado como un púrpura rojizo, el gas más caliente en azul y las temperaturas intermedias en púrpura. Las repetidas colisiones en el cúmulo son causadas por una corriente de galaxias, polvo y “materia oscura” -conocida filamento- de 13 millones de años luz.

Se han obtenido Imágenes (MACSJ0717) que muestran cómo cúmulos galácticos gigantes interactúan con su entorno en escalas de millones de años luz. Es un sistema hermoso para estudiar cómo los cúmulos crecen mientras el material cae en ellos a lo largo de filamentos. Simulaciones por ordenador muestran que los cúmulos de galaxias más masivos deben crecer en regiones donde filamentos de gran escala de gas intergaláctico, galaxias, y materia desconocida intersectan, pero…

¿Cuál debe ser la Masa del Universo?

Alan Guth's photo

                  Alan Guth

claro que la idea de masa perdida se introdujo porque la densidad observada de la materia del universo está cerca del valor crítico. Sin embargo, hasta comienzos de los ochenta, no se tuvo una razón teórica firme para suponer que el universo tenía efectivamente la masa crítica. En 1981, Alan Guth, publicó la primera versión de una teoría que entonces se ha conocido como “universo inflacionista”. Desde entonces, la teoría ha sufrido numerosas modificaciones técnicas, pero los puntos centrales no han cambiado.

nuestra conversación de hoy, diremos que el aspecto principal del universo inflacionista es que estableció por primera vez una fuerte presunción de que la masa del universo tenía realmente el valor crítico. Esta predicción viene de las teorías que describen la congelación de la fuerza fuerte en el segundo 10-35 del Big Bang. los otros muchos procesos en marcha en ese tiempo estaba una rápida expansión del universo, un proceso que vino a ser conocido como inflación. Es la presencia de la inflación la que nos lleva a la predicción de que el universo tiene que ser plano.

Abell 370: Lente gravitacional de un cúmulo de galaxias

Abell 370 La lente gravitacional distorsiona la Imagen y nos enseña, a la derecha, algo que nos parece una inmensa cuerda cósmica , ¿que podrá ser en realidad? la materia a lo largo y ancho del universo se reparte de manera que, se ve concentrada en cúmulos de galaxias y supercúmulos que son las estructuras más grandes conocidas y, dentro de ellas, están todos los demás objetos que existen. Claro que, deajndo a un lado esas fluctuaciones de vacío y, la posible materia desconocida.

El proceso mediante el cual la fuerza fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si la dejamos en el exterior en una noche de invierno de gélido frío. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

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 que la luz salió de su fuente.

Lo que es sorprendente es la enorme amplitud de la expansión. El tamaño del Universo aumentó en un factor no menor de 1050. Este es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente, incluido yo mismo que, no pocas veces me cuesta asimilar esas distancias inconmensurables del Cosmos. Dicho de otra manera, pongamos, por ejmplo, que la altura de los lectores aumentara en un factor tan grande como ese, se extenderían de un extremo al otro del Universo y, seguramente, faltaría sitio. Incluso un sólo protón de un sólo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 1050, sería mayor que el mismo universo. En 10-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo como el tamaño de una naranja grande. No es extraño que el inflación esté ligado a este proceso.

Comparación entre un modelo de expansión desacelerada (arriba) y uno en expansión acelerada (abajo). La esfera de referencia es proporcional al factor de escala. El universo observable aumenta proporcionalmente al tiempo. En un universo acelerado el universo observable aumenta más rápidamente que el factor de escala con lo que cada vez podemos ver mayor del universo. En cambio, en un universo en expansión acelerada (abajo), la escala aumenta de manera exponencial mientras el universo observable aumenta de la misma manera que en el caso anterior. La cantidad de objetos que podemos ver disminuye con el tiempo y el observador termina por quedar aislado del resto del universo.

Cuando ( mucho tiempo ya) leí por primera vez acerca del universo inflacionario, experimenté dificultades para poder asimilar el índice de inflación. ¿No violaría un crecimineto tan rápido las reglas impuestas por la relatividad de Eintien que marcaban el límite de la velocidad en el de la luz en el vacío? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja a otro en 10-35 segundos, su velocidad excedió a la de la luz en una fracci´çon considerable.

Claro que, con esto pasar como ha pasado hace unos días con los neutrinos que, algunos decían haber comprobado que corrían más rápidos que la luz, y, sin embargo, todo fue un error de cálculo en el que no se tuvieron en algunos parámetros presentes en las mediciones y los aparatos que hacían las mismas. Aquí, podría pasar algo parecido y, la respuesta la podemos encontrar en aquella analogía con la masa de pan. Durante el período de inflación es el espacio mismo -la masa de pan- lo que está expandiéndose. Ningún cuerpo material (acordaos que en aquella masa estaban incrustadas las uvas que hacían de galaxias y, a medida que la masa se inflaba, las uvas -galaxias- se alejaban las unas de las otras pero, en realidad, ninguna de estas uvas se mueven, es la masa lo que lo hace.

                     El Universo se expande

Las reglas contra los viajes a mayor velocidad que la de la luz sólo se aplican al movimiento del espacio. Así no hay contradicción, aunque a primera vista pueda parecer que sí. Las consecuencias del período de rápida expansión se pueden describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. de que el universo tuviera 10-35 segundos de edad, es de suponer que había algún tipo de distribucón de la materia. A cauda de esa materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma característica. Supongamos que la superficie estaba arrugada antes de que se produjera la inflación. Y, de esa manera, cuando comenzó a estirarse, poco a poco, tomó la forma que podemos detectar de “casi” plana conforme a la materia que contiene.

La Galaxia NGC 4388 y su Inmensa Nube de Gas

En todo esto, hay un enigma que persiste, nadie sabe contestar cómo, a pesar de la expansión de Hubble, se pudieron formar las galaxias. La pregunta sería: ¿Qué clase de materia estaba allí presente, que, la materia bariónica no se expandiera sin rumbo fijo por todo el universo y, se quedara el tiempo suficiente para formar las galaxias? Todo ello, a pesar de la inflación de la que hablamos y que habrái impedido su formación. Así que, algo tenía que existir allí que generaba la gravedad necesaria para retener la materia bariónica hasta que esta, pudo formar estrellas y galaxias.

No me extrañaria que, eso que llaman materia oscura, pudiera ser como la primera fase de la materia “normal” que, estándo en una primera fase, no emite radiaciones ni se deja ver y, sin embargo, sí que genera la fuerza de Gravedad para que nuestro Universo, sea tal como lo podemos observar.

En imagenes como , los “expertos” nos dicen cosas como:

“La materia oscura en la imagen de varias longitudes de onda de arriba se muestra en un falso color azul, y nos enseña detalles de como el cúmulo distorsiona la luz emitida por galaxias más distantes. En de gas muy caliente, la materia normal en falso color rojo, son fruto de los rayos-X detectados por el Observatorio de Rayois X Chandra que orbita alrededor de la Tierra.”

 

Algunas galaxias individuales dominadas por materia normal aparecen en colores amarillentos o blanquecinos. La sabiduría convencional sostiene que la materia oscura y la materia normal son atraídas lo mismo gravitacionalmente, con lo que deberían distribuirse homogéneamente en Abell 520. Si se inspecciona la imagen superior, sin embargo, se ve un sorprendente vacío de concentración de galaxias visibles a lo largo de la materia oscura. Una respuesta hipotética es que la discrepancia causada por las grandes galaxias experimentan algún de “tirachinas” gravitacional.

Una hipótesis más arriesgada sostiene que la materia oscura está chocándo consigo misma de alguna forma no gravitacional que nunca se había visto antes..? (esto está sacado de Observatorio y, en el texto que se ha podido traducir podemos ver que, los astrónomos autores de dichas observaciones, tienen, al , unas grandes lagunas y, tratándo de taparlas hacen aseveraciones que nada tienen que ver con la realidad).

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Lo cierto es que, en el Universo, son muchas las cosas que se expanden y, pienso yo…¿Por qué no tratamos todos de expandir nuestras mentes? De esa manera, posiblemente podríamos llegar a comprender esos fenómenos que nos atormentan y a los que no podemos encontrar una explicación  que podamos constatar.

¿Materia Oscura?  Sí, entonces… Unicornios y Gárgolas, también.

emilio silvera

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El LHC se adentra en la materia del universo primigenio

En los comienzos del universo, justo después del Big Bang, existió un ‘plasma de quarks y gluones, dos partículas confinadas hoy en la materia que entonces vagaban libremente… Ahora hemos construído aceleradores de partículas que tratan de recrear aquellos momentos para poder “ver” lo que allí pasó y, buscamos el origen de la masa y partículas exóticas que nos digan algo sobre esa supuesta masa “perdida”, o, que no alcanzamos a ver.

fotografía muestra el anillo de polvo de la estrella Fomalhaut, situada a 25 años luz de distancia de la Tierra. 

La galaxia NGC 2683 es una galaxia espiral que emula la clásica de las naves especiales en la ciencia ficción.

es la imagen más detallada que existe de Messier 9, una conjunción de estrellas en el centro de la Vía Láctea.

El Hubble produjo esta bella imagen de la galaxia espiral NGC 1483, localizada en el sur de la constelación Mahi-mahi.


las nubes asechan en un día de lluvia, el hubble nos regala esta imagen de la galaxia Centauro.

gigantesco grupo de jóvenes estrellas, llamado R136 está a sólo unos cuantos millones de años luz y reside en la galaxia Doradus Nebula, dentro de la gran Nube de Magallanes. 

             El Hubble captó imagen del sistema Eta Carinae

Un equipo de científicos ha recolectado suficientes fotos de alta resolución del Hubble durante 14 años, que es suficiente crear un timelapse.

En la celebración del 21 Aniversario del Hubble, en abril de 2011, apuntaron hacia el grupo de galaxias llamado Arp 273 y rescataron bella imagen. 

El telescopio espacial Hubble ha logrado captar la extrema violencia del proceso de formación de una estrella es su etapa final, en el que el objeto astronómico se rebela contra su nebulosa.

            ¿Es una imagen de un anillo de agujeros negros?

                                            En el corazón de la Nebulosa Laguna

La nebulosa IRAS 05437+2502, una pequeñuela cercana a la constelación de Tauro.

                            ¿Qué pintor podría plasmar belleza creadora de estrrellas?

Los ingenios creados por nuestra civilización ha podido arrancar secretos de la Naturaleza que, ni soñar podrían nuestros abuelos

El Tiempo sigue su camino imparable, siempre hacia adelante, ese lugar que llamamos futuro en el que pensamos estará todo lo que buscamos , siempre tendremos preguntas que hacer y que nadie sabrá contestar pero, nuestro destino es seguir adelante y tratar de desvelar los secretos que la Naturaleza esconde…, ella, tiene todas las respuestas.

emilio silvera