domingo, 15 de diciembre del 2019 Fecha
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Parece que el Universo sabía que ibamos a venir

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo y... ¿nosotros?    ~    Comentarios Comments (1)

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Surgidos de la materia creada por el Universo pudimos alcanzar la inteligencia necesaria para hacer preguntas

En este lugar venimos hablando de cuestiones de Física, del Universo, de vez en cuando tocamos la I.A. y osamos comentar sobre la Conciencia y la Mente. Ante estas complejas cuestiones, el hecho mismo de que estemos aquí para plantearlas, como seres racionales y pensantes, es un auténtico milagro, ya que significa que deben haber ocurrido, necesariamente, complejas secuencias de sucesos para que a partir de la materia “inerte”, la mezcla de materiales complejos en condiciones excepcionales, hiciera surgir la vida.

Reparando en estas coincidencias cósmicas, el físico Freeman Dyson escribió en cierta ocasión:

Cuando miramos en el universo e identificamos los muchos accidentes de la física y la astronomía que han colaborado en nuestro beneficio, casi parece que el universo debe haber sabido, en cierto sentido, que nosotros íbamos a venir“.

 

 

 

Particularmente, creo que la vida llegó a este planeta por una serie de circunstancias muy especiales: tamaño, temperatura y distancia al Sol (idónea para no morir congelados o asados por una temperatura extrema), su atmósfera primitiva, las chimeneas marinas, la mezcla de elementos, y su transformación evolutiva, el oxígeno, la capa de ozono, los mares y océanos ¡el agua!, etc, etc.

Este podría ser aquel protoplasma vivo del que surgió aquella primera célula replicante que comenzó, la aventura de la vida

Dada la inmensidad de nuestro universo, nuestro mismo caso (un sistema solar con planetas entre los que destaca uno que contiene vida inteligente), se habrá dado en otros muchos mundos similares o parecidos al nuestro, tanto en nuestra misma galaxia, la Vía Láctea, como en otras más lejanas. Me parece una estupidez que se pueda pensar que estamos solos en el universo; la lógica nos dice todo lo contrario.

Nuestro Sol, gracias al cual podemos existir, es una de las cien mil millones de estrellas que contiene nuestra Galaxia. Existen miles de millones de sistemas solares compuestos por estrellas y planetas como los nuestros. ¿En verdad se puede pensar que somos los únicos seres vivos inteligentes de la galaxia?

Me parece que no. Creo que estamos bien acompañados.

El problema radica en que es difícil coincidir en el tiempo y en las enormes distancias que nos pueden separar. Cuántas Civilizaciones se habrán extinguidos y cuántas habrán surgido. Con las que se fueron se borraron todos sus logros y saberes y, las nuevas, estarán comenzando de nuevo ese difícil camino del saber. ¿El encuentro? ¡No será nada fácil que se produzca!

El tiempo y el espacio nacieron juntos cuando nació el universo en el Big Bang, llevan creciendo unos 13.500-18.000 millones de años y, tanto el uno como el otro, son enormes, descomunalmente grandes para que nuestras mentes lo asimilen de forma real.

La estrella más cercana a nosotros, Alfa Centauri, está situada a una distancia de 4’3 años luz. El año luz es la distancia que recorre la luz, o cualquier otra radiación electromagnética, en un año trópico a través del espacio. Un año luz es igual a 9’4607×1012 Km, ó 63.240 unidades astronómicas, ó 0’3066 parsecs.

Hoy, en otro trabajo aquí expuesto, hablan de enviar a la estrella más cercana, Alfa Centauri, una nave miniatura que llegará en poco tiempo, es decir, recorrería la distancias que nos separa de aquel conjunto estelar al 20% de la velocidad de la luz. (Ya veremos en queda todo esa inicial alegría).

La luz viaja por el espacio a razón de 299.792.458 m/s, una Unidad Astronómica es igual a 150 millones de Km (la distancia que nos separa del Sol). El pársec es una unidad galáctica de distancias estelares, y es igual a 3’2616 años luz o 206.265 unidades astronómicas. Existen para las escalas galácticas o intergalácticas, otras medidas como el kiloparsec (Kpc) y el megaparsec (Mpc).

Nos podríamos entretener para hallar la distancia que nos separa de un sistema solar con posibilidad de albergar vida y situado a 118 años luz de nosotros. ¿Cuándo llegaríamos allí?

Es, claramente, la estrella más cercana al Sol, aunque su distancia esté en torno a los 40 billones (un 4 seguido por 13 ceros) de kilómetros, unos 4.35 años-luz. La tercera componente, no obstante, se encuentra algo más cercana, pues orbita a las otras dos y ahora se sitúa a unos 4.22 años-luz. Es llamada por eso Próxima Centauri. Ésta sí es, sin excepciones ni matices, la estrella que está más cerca de nuestro Sol.

Nuestros ingenios espaciales que enviamos a las lunas y planetas vecinos, viajan por el espacio exterior a 50.000 Km/h. Es una auténtica frustración el pensar lo que tardarían en llegar a la estrella cercana Alfa Centauri a más de 4 años luz.

Así que la distancia es la primera barrera infranqueable (al menos de momento). La segunda, no de menor envergadura, es la coincidencia en el tiempo. Se piensa que una especie tiene un tiempo limitado de existencia antes de que, por una u otra razón, desaparezca.

Nosotros mismos, si pensamos en el tiempo estelar o cósmico, llevamos aquí una mínima fracción de tiempo. Dadas las enormes escalas de tiempo y de espacio, es verdaderamente difícil coincidir con otras civilizaciones que, probablemente, existieron antes de aparecer nosotros o vendrán después de que estemos extinguidos. Por otra parte, el desplazarse por esas distancias galácticas de cientos de miles de millones de kilómetros, no parece nada fácil, si tenemos en cuenta la enorme barrera que nos pone la velocidad de la luz. Esta velocidad, según demuestra la relatividad especial de Albert Einstein, no se puede superar en nuestro universo.

Con este negro panorama por delante habrá que esperar a que un día en el futuro, venga algún genio matemático y nos de la fórmula para burlar esta barrera de la velocidad de la luz, para hacer posible visitar otros mundos poblados por otros seres. Por ahora, el único panorama creíble (dadas nuestras limitaciones físicas), está en los robots que, sin lugar a ninguna duda, serán la avanzadilla de la Humanidad en los viajes espaciales y,  ellos serán los primeros en pisar otros mundos. De hecho, ahora mismo tenemos a Mars Phoenix investigando el suelo y la atmósfera de Marte y buscando vestigios de vida pasada o presente.

También cabe esperar que sean ellos (otros seres extraterrestres) los más adelantados y nos visiten a nosotros. Aunque, si tengo que ser sincero, preferiría no ser testigo nunca de una escena como la de arriba, en la que una nave alinigena se acerca a la Tierra. Bastantes problemas nos creamos ya nosotros mismos para tener encima que bregar con otros venidos de fuera.

Si se tiene que producir ese encuentro, por mi parte, preferiría que seamos nosotros los visitantes. Me acuerdo de Colón, de Pizarro o Hernán Cortes e incluso de los ingleses en sus viajes de colonización, y la verdad, lo traslado a seres extraños con altas tecnologías a su alcance y con el dominio de enormes energías visitando un planeta como el nuestro, y dicho pensamiento no me produce la más mínima gracia. Más bien es gélido escalofrío.

Podrían responder a cualquier anatomía y… ¡sentimientos!

Según todos los indicios que la ciencia tiene en su poder, no parece que por ahora y durante algún tiempo, tengamos la posibilidad de contactar con nadie de más allá de nuestro sistema solar. Por nuestra parte existe una imposibilidad de medios. No tenemos aún los conocimientos necesarios para fabricar la tecnología precisa que nos lleve a las estrellas lejanas a la búsqueda de otros mundos. En lo que se refiere a civilizaciones extraterrestres, si las hay actualmente, no deben estar muy cerca; nuestros aparatos no han detectado señales que dejarían las sociedades avanzadas mediante la emisión de ondas de radio y televisión y otras similares. También pudiera ser, no hay que descartar nada, que estén demasiado adelantados para nosotros y oculten su presencia mientras nos observan, o atrasados hasta el punto de no emitir señales.

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De cualquier manera, por nuestra parte, sólo podemos hacer una cosa: seguir investigando y profundizando en el conocimiento del universo para desvelar sus misterios y conseguir algún día (aún muy lejano), viajar a las estrellas, única manera de escapar del trágico e inevitable final de nuestra fuente de vida, el Sol. Dentro de unos 4.000 millones de años, como ya he dicho antes (páginas anteriores), el Sol se transformará en una estrella gigante roja cuya órbita irá más allá de Mercurio, Venus y seguramente la Tierra. Antes, la temperatura evaporará toda el agua del planeta Tierra, la vida no será posible. El Sol explotará como estrella nova y lanzará sus capas exteriores al espacio exterior para que su viejo material forme nuevas estrellas.  Después, desaparecida la fuerza de fusión nuclear, la enorme masa del Sol, quedara a merced de su propio peso y la gravedad que generará estrujará, literalmente, al Sol sobre su núcleo hasta convertirla en una estrella enana blanca de enorme densidad y minúsculo diámetro (en comparación con el original). Más tarde, la estrella se enfriará y pasará a engrosar la lista de cadáveres estelares.

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                          Ciudades futuras en otros mundos

Para cuando ese momento este cercano, la humanidad, muy evolucionada y avanzada, estará colonizando otros mundos, tendrá complejos espaciales y ciudades flotando en el espacio exterior, como enormes naves-estaciones espaciales de considerables dimensiones que dará cobijo a millones de seres, con instalaciones de todo tipo que hará agradable y fácil la convivencia.

Modernas naves espaciales surcarán los espacios entre distintos sistemas solares y, como se ha escrito tantas veces, todo estará regido por una confederación de planetas en los que tomarán parte individuos de todas las civilizaciones que, para entonces, habrán contactado.

El avance en el conocimiento de las cosas está regida por la curiosidad y la necesidad. Debemos tener la confianza y la tolerancia, desechar los temores que traen la ignorancia, y, en definitiva, otorga una perspectiva muy distinta de ver las cosas y resolver los problemas. En tal situación, para entonces, la humanidad y las otras especie inteligentes tendrán instalado un sistema social estable, una manera de gobierno conjunto que tomará decisiones de forma colegiada por mayoría de sus miembros, y se vigilará aquellos mundos en desarrollo que, sin haber alcanzado el nivel necesario para engrosar en la Federación Interplanetaria de Mundos, serán candidatos futuros para ello, y la Federación vigilará por su seguridad y desarrollo en paz hasta que estén preparados.

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        En nuestro mundo pasan cosas que nos deben avergonzar. En el pasado la casi exterminación de los pueblos, y, en la actualidad, regiones del mundo que están totalmente abandonadas y, sus criaturas se mueren de hambre y por falta de medicinas y cuidados de lo más esencial.

También sabemos que el desconocimiento, el torpe egoísmo de unos pocos y sobre todo la ignorancia, es la madre de la desconfianza y, como ocurre hoy en pleno siglo XXI, los pueblos se miran unos a otros con temor; nadie confía a en nadie y en ese estado de tensión (que es el caso que se produce hoy día), a la más mínima salta una guerra que, por razones de religión mal entendida o por intereses, siempre dará el mismo resultado: la muerte de muchos inocentes que, en definitiva, nada tuvieron que ver en el conflicto. Los culpables e inductores, todos estarán seguros en sus refugios mientras mueren sus hermanos.

Es irrefutable esta desgraciada realidad que, sin que lo podamos negar, nos convierte en bárbaros mucho más culpables que aquellos de Atila, que al menos tenían la excusa de su condición primitiva y salvaje guiada por el instituto de la conquista y defensa de sus propias vidas.

¿Pero que excusa tenemos hoy?

El cometa se encuentra actualmente viajando entre las órbitas de Júpiter y de Marte. Mide unos cuatro kilómetros de diámetro, con una forma irregular, …

Enviamos sondas espaciales a las lunas de Júpiter y al planeta Marte para que investiguen sus atmósferas, busquen agua y nos envíen nítidas fotografías de cuerpos celestes situados a cientos de millones de kilómetros de la Tierra.

Se construyen sofisticadas naves que surcan los cielos y los océanos llevando a cientos de pasajeros confortablemente instalados que son transportados de una a la otra parte del mundo.

Podemos transmitir imágenes desde Australia que en segundos pueden ser vistas en directo por el resto del mundo.

Tenemos en el espacio exterior telescopios como el Hubble, que nos envía constantemente al planeta Tierra imágenes de galaxias y sistemas solares situados a miles de millones de años luz de nosotros, y sin embargo, ¡¡medio mundo muere por el hambre, la miseria, la falta de agua y la enfermedad!!

¿Qué nos está pasando? Si los que tendrían que dar ejemplo hacen todo lo contrario, y, además, según pasan los días, cada vez son más los que engrosan la lista. La Sensación que le da al ciudadano normal, es que el que no está en la fioto es porque no ha tenido la ocasión de defraudar, de robar, de cometer actos ilícitos en su propio beneficio… ¿Está el mundo loco?

Aunque parezca que no tiene conexión alguna, la tiene y mucha, el conocimiento del Universo a través de la Astrofísica y la Astronomía, sin lugar a ninguna duda nos hará mejores, ya que, de ese conocimiento profundo nos vendrán otros relacionados que nos harán comprender también que, lo efímero de nuestras vidas, nos obliga, de alguna manera a ser mejores y que los errores cometidos son irreversibles y tal como marcha el tiempo (siempre adelante) no tenemos la oportunidad de reparar los daños.

Existe un principio de la física denominado Navaja de Occam, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, especialmente si las alternativas no pueden medirse nunca.

Para seguir fielmente el consejo contenido en la navaja de Occam, primero hay que tener el conocimiento necesario para poder saber elegir el camino más sencillo, lo que en la realidad, no ocurre. Nos faltan los conocimientos necesarios para hacer las preguntas adecuadas.

Así que, siendo así las cosas el camino más aconsejable es el del conocimiento del mundo que nos rodea y del Universo que nos acoge, lo que nos lleva a tener la obligación de aprovechar el Año 2009 que ha sido nombrado como Internacional de la Astronomía, y, aprendamos del Universo, la Naturaleza es siempre la que nos trae las nuevas ideas, lo que, desde luego, no ocurre sin que la observemos.

emilio silvera

Surgieron pensamientos… ¡Que nunca dejaran de asombrarnos!

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

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         Ludwig Boltzmann será el protagonista de hoy

Hay ecuaciones que son aparentemente insignificantes por su reducido número de exponentes que, sin embargo, ¡dicen tántas cosas…! En la mente de todos están las sencillas ecuaciones de Einstein y de Planck sobre la energía-masa y la radiación de cuerpo negro. Esa es la belleza de la que hablan los físicos cuando se refieren a “ecuaciones bellas”.

                       Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell…,  “y se hizo la luz”

La identidad de Euler: Algunos dijeron de su ecuación: “la expresión matemática más profunda jamás escrita”, “misteriosa y sublime”, “llena de belleza cósmica”, “una explosión cerebral”.

Newton y su segunda ley que, aunque no funcione cuando nos acercamos a velocidades relativistas, rompió la marcha hacia la Gravedad.

Pitágoras y “su” teorema, también debe estar presente como lo está su teorema en las construcciones de todo el mundo y… mucho más.

Schrödinger y su función de onda que tampoco se queda atrás (aunque como la ecuación de Newton, si hablamos de velocidades relativistas…)

Bueno, E = mc2, nos lleva a profundidades de la materia antes jamás vistas y nos permite sacar conclusiones como que, en un  gramo de materia está encerrada toda la energía consumida por la Humanidad durante un minuto. ¡Masa y Energía son la misma cosa!

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Einstein, con esa ecuación de arriba de la relatividad general, vino a cambiar el mundo y, a partir de entonces, nació la verdadera cosmología. ¡Nos habla de tántas cosas!

¿Qué decir de la maravillosa fórmula de la entropía de Boltzman?

S = k log W

Creo que hoy, hablaremos de ella. Boltzman con su trabajo e ingenio,  le dio a la Humanidad la herramienta para que pudiera seguir avanzando en el difícil laberinto de la Cienca, fue,  sin duda, uno de los físicos más ilustres del siglo XIX.

El trabajo científico desarrollado por Boltzmann en su época crítica de transición que puso el colofón a la física “clásica” –cuya culminación podríamos situar en Maxwell– y antecedió (en pocos años) a la “nueva” física, que podemos decir que comenzó con Max Planck y Einstein. Aunque ciertamente no de la importancia de los dos últimos, la labor científica de Boltzmann tiene una gran relevancia, tanto por sus aportaciones directas (creador junto con “su amigo” Maxwell y Gibbs de la mecánica estadística, aunque sea el formulismo de éste último el que finalmente haya prevalecido; esclarecedor del significado de la entropía, etc.) como por la considerable influencia que tuvo en ilustres físicos posteriores a los que sus trabajos dieron la inspiración, como es el caso de los dos mencionados, Planck y Einstein.

Resultado de imagen de Boltzmann fue un defensor a ultranza del atomismo

Boltzmann fue un defensor a ultranza del atomismo, polemizando sobre todo con Mach y Ostwald, antiatomistas partidarios de la energética y claros exponentes de la corriente idealista de la física alemana. Tuvo que abandonar su ambiciosa idea de explicar exactamente la irreversibilidad en términos estrictamente mecánicos; pero esta “derrota”, no ocultaré que dolorosa desde el punto de vista personal, le fue finalmente muy productiva, pues de alguna manera fue lo que le llevó al concepto probabilista de la entropía. Estas primeras ideas de Boltzmann fueron reivindicadas y extendidas, en el contexto de la teoría de los sistemas dinámicos inestables, sobre todo por la escuela de Prigogine, a partir de la década de 1970.

La personalidad de Boltzmann era bastante compleja. Su estado de ánimo podía pasar de un desbordante optimismo al más negro pesimismo en cuestión de unas pocas horas. Era muy inquieto; él decía – medio en serio, medio en broma – que eso se debía a haber nacido en las bulliciosas horas finales de los alegres bailes del Martes de Carnaval, previas a los “duelos y quebrantos” (entonces) del Miércoles de Ceniza.

Ludwig Boltzmann and co-workers in Graz, 1887. (standing, from the left) Nernst, Streintz, Arrhenius, Hiecke, (sitting, from the left) Aulinger, Ettingshausen, Boltzmann, Klemenčič, Hausmanninger

Su lamentable final, su suicidio en Duino (Trieste) el 5 de septiembre de 1906, muy probablemente no fue ajeno a esa retorcida personalidad, aunque su precaria salud física fue seguramente determinante a la hora de dar el trágico paso hacia el lado oscuro.

Uno de los problemas conceptuales más importantes de la física es cómo hacer compatible la evolución irreversible de los sistemas macroscópicos (el segundo principio de la termodinámica) con la mecánica reversible (las ecuaciones de Hamilton o la ecuación de Schrödinger) de las partículas (átomos o moléculas) que las constituyen. Desde que Boltzmann dedujo su ecuación en 1872, este problema ha dado lugar a muy amplios debates, y el origen de la irreversibilidad es, aún hoy en día, controvertido.

En una de sus primeras publicaciones, Boltzmann obtuvo en 1866 una expresión de la entropía, que había sido definida un año antes por Clausius, basado en conceptos mecánicos. Las limitaciones de este trabajo eran que su aplicación se restringía al estudio de los gases y que el sistema era periódico en el tiempo. Además, Boltzmann no pudo deducir de su definición de entropía la irreversibilidad del segundo principio de la termodinámica de Clausius. En 1868, basándose en las ideas probabilísticas de Maxwell, obtuvo la distribución de equilibrio de un gas de partículas puntuales bajo la acción de una fuerza que deriva de un potencial (distribución de Maxwell-Boltzmann).

En el Universo, considerado como sistema cerrado, la entropía crece y…

En 1.872 publicó la denominada ecuación de Boltzmann para cuya deducción se basó, aparentemente, en ideas mecánicas. Esta ecuación contiene, sin embargo, una hipótesis no mecánica (estadística) o hipótesis del caos molecular, que Boltzmann no apreció como tal, y cuya mayor consecuencia es que, cualquiera que sea la distribución inicial de velocidad de un gas homogéneo diluido fuera del equilibrio, ésta evoluciona irreversiblemente hacia la distribución de velocidad de Maxwell. A raíz de las críticas de Loschmidt (paradoja de la reversibilidad) y Zermelo (paradoja de la recurrencia), Boltzmann acabó reconociendo el carácter estadístico de su hipótesis, y en 1877 propuso una relación entre la entropía S de un sistema de energía constante y el número de estados dinámicos W accesibles al sistema en su espacio de fases; esto es, la conocida ecuación S = kB ln W, donde kB es la constante de Boltzmann. En esta nota, se hace una breve descripción de la ecuación de Boltzmann y de la hipótesis del caos molecular.

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            El comportamiento de los gases siempre dio a los físicos en qué pensar

La ecuación de Boltzmann describe la evolución temporal de un gas diluido de N partículas puntuales de masa m contenidas en un volumen V que interaccionan a través de un potencial de par central repulsivo V(r) de corto alcance a. Como simplificación adicional, considérese que sobre las partículas no actúan campos externos. Si f1(r,v,t) indica la densidad de partículas que en el tiempo t tienen un vector de posición r y velocidad v, que está normalizada en forma:

∫dr ∫dvƒ1(r,v,t) = N

Su evolución temporal es la suma de dos contribuciones. En ausencia de interacción, las partículas que en el tiempo t tienen vector de posición r y velocidad v se encuentran, después de un intervalo de tiempo Δt, en r + v Δt y tiene la misma velocidad. Como

f1(r + vΔt,v,t + Δt) = f1(r,v,t)

en el límite Δt → 0 (2) se escribe:

1 f1(r,v,t) = – v∂r f1(r,v,t)

Que es una ecuación invariante bajo el cambio t → – t y v → – v. La evolución es, por tanto, mecánica.

Se cumplieron más de cien años desde la muerte de Boltzmann y su trabajo sigue siendo recordado. No pienso que Boltzmann creyera en la existencia real de los átomos, pero sí en su utilidad e incluso en su necesidad para comprender las leyes macroscópicas y la evolución irreversible de los fenómenos macroscópicos desde una base más fundamental que el nivel fenomenológico. Pero había quien (con autoridad) no creía ni en la existencia ni en su utilidad. Este debate no era ajeno a las tendencias ideológicas, religiosas y usos sociales de aquella época porque, en general, la ciencia es parte de la cultura y depende del momento histórico que viven los científicos, al fin y al cabo, seres humanos como los demás, influenciables por su entorno en una gran medida.

Por el siglo XIX, e incluso antes, ya se hablaba de “átomos”* y una rudimentaria teoría cinética de los gases gozaba de aceptación y utilidad científica (recordemos los trabajos de Benoulli, Dalton, Laplace, Poisson, Cauchy, Clausius, Krönig… y Maxwell). Pero fue Boltzmann quien definitivamente profundizó en la cuestión, para el estudio del equilibrio y, sobre todo, intentando explicar mecánicamente (mecano-estadísticamente) la evolución termodinámica irreversible y la descripción de los procesos de transporte ligados a ella. Y, nuevamente (por su enorme importancia) no podemos dejar de mencionar la muy singular labor que hicieron Gibbs, Einstein, Planck, Fermi y otros. Sin la motivación ideológica de Boltzmann, Gibbs elaboró una bellísima, útil y hoy dominante formulación (cuerpo de doctrina) de la termodinámica y física estadística.

                     Lorentz

Fue Lorentz quien primero utilizó la ecuación de Boltzmann y lo hizo para describir la corriente eléctrica en sólidos dando un paso significativo por encima del pionero Drude. Lorentz introdujo un modelo opuesto al browniano donde partículas ligeras como viento (electrones) se mueven chocando entre sí y con árboles gordos (tales como iones en una red cristalina); un modelo del que se han hecho estudios de interés tanto físico como matemático. Enskog (inspirándose en Hilbert) y Chapman (inspirándose en Maxwell) enseñaron cómo integrar la ecuación de Boltzmann, abriendo vías a otras diversas aplicaciones (hidrodinámica, propagación del sonido, difusión másica, calor, fricción viscosa, termoelectricidad, etc.). Recordemos que Boltzmann encontró como solución de equilibrio de su ecuación una distribución de velocidades antes descubierta por Maxwell (hoy, como reseñé anteriormente, de Maxwell-Boltzmann), por lo que concluyó que así daba base microscópica mecánica (teorema H mecano-estadístico) al segundo principio de la termodinámica (estrictamente, evolución de un sistema aislado hacia su “desorden” máximo).

El físico austríaco Ludwig Boltzmann sentó las bases estadísticas de la entropía, su trabajo fue tan importante que el gran físico Max Planck sugirió que su versión de la fórmula de Boltzmann fuera grabada en la lápida de Boltzmann de Viena.

Está claro que ningún físico que se precie de serlo puede visitar Viena sin visitar el parque Zentralfriedhof para ver la tumba de Boltzmann. Yo sí me pasé por allí. Me senté junto a la tumba; el lugar estaba desierto, y cerrando los ojos traté de conectar con la conciencia del genio. La sensación, extraña y agradable, seguramente fue creada por mi imaginación, pero creo que charlé con él en el interior de mi mente – la fuerza más potente del universo– y aquellos sentimientos, aquel momento, compensaron el esfuerzo del viaje.

En la tumba, sobre una gran lápida de mármol de color blanco con los nombres Ludwig Boltzmann y de los familiares enterrados con él, sobre el busto de Boltzmann, se puede leer la inscripción, a modo de epitafio:

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En esta breve ecuación se encierra la conexión entre el micromundo y el macromundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la física conocida como mecánica estadística. Esta sencilla ecuación es la mayor aportación de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación del logaritmo) es el siguiente:

  • S es la entropía de un sistema.
  • W es el número de microestados posibles de sus partículas elementales.
  • k es una constante de proporcionalidad que hoy recibe el nombre de Constante de Boltzmann, de valor 1’3805 × 10-23 J/K (si el logaritmo se toma en la base natural).

En definitiva, la ecuación describe la estrecha relación entre la entropía (S) y las miles de formas de partículas que en un sistema se pueden arreglar (k log W). La última parte es difícil. K es la constante de Boltzmann y W es el número de elementos microscópicos de un sistema (por ejemplo, el impulso y la posición de los átomos individuales de gas) en un sistema macroscópico en un estado de equilibrio (por ejemplo, el gas de sellado en una botella). Parece que la naturaleza ama el caos cuando empuja a los sistemas hacia el desequilibrio y Boltzmann le llamó entropía a este fenómeno.

Cuando profundizamos un poco en lo que el cerebro humano ha sido capaz de generar, los pensamientpos que ha llegado a generar bien sea en forma de ecuaciones matemáticas o expresados con palabras, no podemos dejar de sorprendernos y maravillarnos al ver que, ¡todo el universo parece estar dentro de nuestras mentes! ¿Qué secretos se encierran allí? ¿Cómo nos lleva a estos pensamientos tan profundos?

Como todas las ecuaciones sencilla de gran trascendencia en la física (como la famosa E = mc2), hay un antes y un después de su formulación: sus consecuencias son de un calado tan profundo que cambiaron la forma de entender el mundo, y en particular, de hacer física a partir de ellas. De hecho, la sutileza de la ecuación es tal que hoy, cien años después de la muerte de su creador, se siguen investigando sus nada triviales consecuencias. Creo que lo mismo ocurrirá con α = 2πe2/ħc que, en tan reducido espacio y con tan pocos símbolos, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón), de la constante de Planck (la mecánica cuántica), y de la luz (la relatividad de Einstein), todo ello enterrado profundamente en las entrañas de un número: 137.

Bueno, a pesar de todo lo anterior, Schrödinger nos decía:

“La actitud científica ha de ser reconstruida, la ciencia ha de rehacerse de nuevo”

 

 

¡Lo grande y lo pequeño! ¡Son tantos los secretos de la Naturaleza!

Siempre hemos tenido consciencia de que en física, había que buscar nuevos paradigmas, nuevos caminos que nos llevaran más lejos. Es bien conocida la anécdota de que a finales del siglo XIX un destacado físico de la época William Thomson (1824-1907) conocido como Lord Kelvin, se atrevió a decir que solo dos pequeñas “nubecillas” arrojaban sombras sobre el majestuoso panorama de conocimiento que había construido la física clásica desde Galileo y Newton hasta ese momento: el resultado del experimento de Michelson-Morley, el cual había fallado en detectar la existencia del supuesto éter luminífero; y la radiación del cuerpo negro, i.e la incapacidad de la teoría electromagnética clásica de predecir la distribución de la energía radiante emitida a diferentes frecuencias emitidas por un radiador idealizado llamado cuerpo negro. Lo que Lord Kelvin no puedo predecir es que al tratar de disipar esas dos “nubecillas”, la física se vería irremediablemente arrastrada a una nueva física: la física moderna fundada sobre dos revoluciones en ciernes: la revolución relativista y la revolución cuántica con dos  científicos como protagonistas: Planck y Albert Einstein. Sin embargo, ha pasado un siglo y seguimos con esas dos únicas guías para continuar el camino y, resultan insuficientes para llegar a la meta que… ¡Está tan lejos!

emilio silvera

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Cuando pensamos en la edad y el tamaño del universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como ya hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿Por qué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

 A medida que examinamos volúmenes cada vez mayores del Universo, la densidad de material que encontramos sigue disminuyendo hasta que salimos de las dimensiones de los cúmulos de galaxias. Cuando llegamos a dicha escala, la acumulación de materia empieza a desvanecerse y se parece cada vez más a una minúscula perturbación aleatoria de un mar uniforme de materia, con una densidad de aproximadamente un átomo por cada metro cúbico.

cumulos galaxias 05 1280x800 La jerarquía del Universo: a mayor tamaño, menor densidad.

 A medida que buscamos en las mayores dimensiones visibles del Universo, encontramos que las desviaciones de la uniformidad perfecta de la materia y la radiación se quedan en un bajo nivel de sólo una parte en cien mil. Esto nos muestra que el Universo no es lo que se ha llegado a conocerse como un fractal, en donde la acumulación de materia en cada escala parece una imagen ampliada de la escala superior siguiente.

Que el Universo posea una densidad muy baja no es un accidente. La expansión del Universo relaciona su tamaño y su edad con la atracción gravitatoria del material que contiene. Para que el Universo se expanda el tiempo suficiente para permitir que los ladrillos de la vida se formen en los interiores de las estrellas debe tener una edad de miles de millones de años. Esto significa que debe tener una extensión de de miles de millones de años luz y poseer una densidad de materia promedio muy pequeña y una temperatura muy baja.

Siempre hemos tratado de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad y por el camino ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck: Masa de Planck, Longitud de Planck, Tiempo de Planck, Temperatura de Planck.

Mp = (hc/G)½ = 5’56 × 10-5 gramos
Lp = (Gh/c3) ½ = 4’13 × 10-33 centímetros
Tp = (Gh/c5) ½ = 1’38 × 10-43 segundos
Temp.p = K-1 (hc5/G) ½ = 3’5 × 1032 ºKelvin

Estas formulaciones con la masa, la longitud, el tiempo y la temperatura de Planck incorporan la G (constante de gravitación), la h (la constante de Planck) y la c, la velocidad de la luz. La de la temperatura incorpora además, la K de los grados Kelvin.

La constante de Planck racionalizada (la más utilizada por los físicos), se representa por ћ que es igual a h/2π que vale del orden de 1’054589×10-34 Julios segundo.

Un estudio reveló que la complejidad de los universos siempre aumenta con el tiempo y que nunca se reduce, independientemente de cómo se desarrollan los modelos. Si consideramos el Universo como un Sistema cerrado, su entropía aumentará y el Caos se irá haciendo el dueño de la situación.

En las unidades de Planck, una vez más, vemos un contraste entre la pequeña, pero no escandalosamente reducida unidad natural de la masa y las unidades naturales fantásticamente extremas del tiempo, longitud y temperatura. Estas cantidades tenían una significación sobrehumana para Planck. Entraban en La Base de la realidad física:

“Estas cantidades conservarán su significado natural mientras la Ley de Gravitación y la de Propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos; por lo tanto, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos.”

 

 

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales”; la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

http://apod.nasa.gov/apod/image/0310/galaxies_sdss_big.jpg

Después de identificar las galaxias en imágenes bidimensionales como la mostrada arriba a la derecha, se mide la distancia para crear el mapa tridimensional. El SDSS actualmente reporta información en tres dimensiones para más de 200 000 galaxias, rivalizando con el conteo de galaxias en 3D del mapa celeste de Campo en Dos Grados.

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La edad actual del universo visible ≈ 1060 tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 1060 longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 1060 masas de Planck

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del universo visible ≈10-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10-30 de la Planck

En una sencilla y simple mirada, podemos encontrar la Belleza de todo un universo y, adentrarnos en ese brillo sugerente de la pupila que nos adentra hacia el interior de un Cosmos de inusitados misterios y lleno de promesas de cosas maravillosas que, como en el universo, allí podemos encontrar. Se puede dar la paradoja de que, allí, dentro de una simple mirada, podamos encontrar el infinito.

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones, el universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del universo en “tics” de Tiempo de Planck,  hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

         La vida que surgió en el planeta Tierra a partir de los materiales “fabricados” en las estrellas de los que se formaron los mundos que, situados en el lugar adecuado, con agua líquida, océanos y atmósfera, pudieron darse las condiciones adecuadas para la formación de esa “sopa primordial” o, protoplasma vivo del que surgiría aquella primera célula replicante que dio el primer paso a la aventura de la Vida.

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

                En lugares como este se forman los elementos de la vida

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre las atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y, a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagar infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen serias amenazas exteriores.

Esta marca oscura y estirada es la última cicatriz de impacto de Júpiter, un penacho de restos creado mientras un pequeño asteroide o un cometa se desintegraba tras zambullirse en el interior de la atmósfera del gigante gaseoso.

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una seria y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra, habiendo tenido efectos catastróficos.  Somos afortunados al tener la protección de la Luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta. La caída en el planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución.

Cuando comento este tema no puedo evitar el recuerdo del meteorito caído en la Tierra que impactó en la península de Yucatán hace 65 millones de años, al final de la Era Mesozoica, cuando según todos los indicios, los dinosaurios se extinguieron. Sin embargo, aquel suceso catastrófico para los grandes lagartos, en realidad supuso que la Tierra fue rescatada de un callejón sin salida evolutivo. Parece que los dinosaurios evolucionaron por una vía que desarrollaba el tamaño físico antes que el tamaño cerebral.

La desaparición de los dinosaurios junto con otras formas de vida sobre la Tierra en aquella época, hizo un hueco para la aparición de los mamíferos. Se desarrolló la diversidad una vez desaparecidos los grandes depredadores. Así que, al menos en este caso concreto, el impacto nos hizo un gran favor, ya que hizo posible que 65 millones de años más tarde pudiéramos llegar nosotros. Los dinosaurios dominaron el planeta durante 150 millones de años; nosotros, en comparación, llevamos tres días y, desde luego, ¡la que hemos formado!

Despues de los Dinosaurios surgieron otras formas de vida que, evolucionadas, llegaron hasta aquí (arriba la muestra).

En nuestro sistema solar la vida se desarrolló por primera vez sorprendentemente pronto tras la formación de un entorno terrestre hospitalario.  Hay algo inusual en esto. El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia.  El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.

       La atmósfera actual requirió un largo proceso

Muchos son los parámetros a tener en cuenta para llegar a la formación de nuestra atmósfera planetaria y todo el ecosistema que tenemos y del que podemos disfrutar. Claro que, nadie cae en la cuenta de que, eso lo tenemos y es posible, gracias a unos “seres” infinitesimales,los procariotas que realizan el “milagro”.

La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la fotodisociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual.  Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.

Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.

A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.

aurora_australis_20050911

                                              Aurora boreal

Formacion de Auroras Boreales y Australes, Cinturones de Van Allen, Ciclo del Agua, Formacion de Nubes, Tipos de Nubes, Cristales de Hielo y Nieve, Niebla, Vientos, Ciclones y Anticlones, Formacion de Tornados, Formacion de Huracanes, Relampagos, Refraccion de la Luz, Corrientes Oceanicas, Capa de Ozono, Patrones de Temperatura, Patrones Precipitacion, Origen de la Atmosfera, Termometro, Termimetro, Barometro, Pluviometro.

Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.

Bacteriofagos: la forma de vida más común de la Tierra

Múltiples formas de vida, tanto macro como microscópicas, están presentes en nuestro planeta, y, de la misma manera, lo estarán en otros que, estando en la zona habitable de su estrella, tengan condiciones similares o parecidas a las nuestras.

Hay una coincidencia o curiosidad adicional que existe entre el tiempo de evolución biológico y la astronomía. Puesto que no es sorprendente que las edades de las estrellas típicas sean similares a la edad actual del universo, hay también una aparente coincidencia entre la edad del universo y el tiempo que ha necesitado para desarrollar formas de vida como nosotros.

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Desde la extinción del Homo hace 45 000 años, el Homo sapiens es la única especie conocida del género Homo que aún perdura. La imagren de arriba estaba en una placa llevada a bordo de la Pioneer 11 y Vyager I y II,  representando a un hombre y una mujer con la intención de darnos a conocer a posibles inteligencias que existan en otros mundos fuera de nuestro Sistema solar.

Si miramos retrospectivamente cuánto tiempo han estado en escena nuestros ancestros inteligentes (Homo Sapiens) vemos que han sido sólo unos doscientos mil años, mucho menos que la edad del universo, trece mil millones de años, o sea, menos de dos centésimos de la Historia del Universo.  Pero si nuestros descendientes se prolongan en el futuro indefinidamente, la situación dará la vuelta y cuando se precise el tiempo que llevamos en el universo, se hablará de miles de millones de años.

Brandon Carter y Richard Gott han argumentado que esto parece hacernos bastante especiales comparados con observadores en el futuro muy lejano.

                            Como decía Peter Kolosimo… “Hay otros mundos pero están en este”

A veces, nuestra imaginación dibuja mundos de ilusión y fantasía pero,  en realidad… ¿serán sólo sueños?, o, por el contrario, pudieran estar en alguna parte del Universo todas esas cosas que imaginamos que pudieran estar presentes en otros mundos lejanos que, como el nuestro…posibilito la llegada de la vida.

Podríamos imaginar fácilmente números diferentes para las constantes de la Naturaleza de forma tal que los mundos también serían distintos al planeta Tierra y la vida no sería posible en ellos. Aumentemos la constante de estructura fina más grande y no podrá haber átomos, hagamos la intensidad de la gravedad mayor y las estrellas agotarán su combustible muy rápidamente, reduzcamos la intensidad de las fuerzas nucleares y no podrá haber bioquímica, y así sucesivamente.

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

Las constantes de la naturaleza ¡son intocables!

Un equipo de astrónomos ha conseguido encontrar una vasta reserva de gas intergaláctico situada a unos 400 millones de años luz de la Tierra en la que podría encontrarse la “materia perdida” del Universo que los científicos llevan años buscando.

          Miles de millones de galaxias formadas a lo largo de miles de millones de años

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

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

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

El ser humano ha hecho un largo recorrido para ahora sentirse insignificante.

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

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

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

Si en lugar de a versión b, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte aF, junto con la de a, entonces, a menos que  aF > 0,3 a½, los elementos como el carbono no existirían.

átomo de carbono

La molécula de Carbono que hace posible la Vida en nuestro mundo

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

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

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

Sí, es mucho lo que nos queda por saber

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intermedias

Ciencia- ABC

Entrevista

Catherine Heymans: «No sabemos nada del 95% del Universo»

 

Esta catedrática de Astrofísica de la Universidad de Edimburgo trabaja en algunos de los proyectos más punteros de la actualidad (KIDs y Euclid) para desvelar los misterios del Universo Oscuro

La materia ordinaria solo forma parte del 5 por ciento del Universo: el resto es materia y energía oscuras

La materia ordinaria solo forma parte del 5 por ciento del Universo: el resto es materia y energía oscuras – JOSÉ RAMÓN LADRA

 

En el Universo nada es lo que parece. Y la inmensidad que nos rodea, con billones de estrellas repartidas en cientos de miles de millones de galaxias es, en realidad, solo una pequeña parte de lo que realmente hay «ahí fuera». O, para ser más concretos, menos del 5% del total. El restante 95% nos es totalmente desconocido. Es lo que los científicos llaman «el Universo oscuro», y cientos de investigadores están, literalmente, obsesionados por comprenderlo.

Entre ellos destaca Catherine Heymans, catedrática de Astrofísica de la Universidad de Edimburgo. La curiosidad brilla poderosamente en la mirada de esta escocesa rubia, alta y delgada. Una curiosidad que la lleva a hablar con auténtica pasión de su trabajo. Heymans participa en algunos de los proyectos más punteros de la actualidad (KIDs y Euclid) para desvelar los misterios del Universo Oscuro. Busca reunir datos, todos los que sean necesarios para comprender, por fin, ese inabarcable 95% que nos falta. Un trabajo, por cierto, que no está segura de poder seguir desarrollando por culpa del Brexit.

Catherine Heymans ha visitado Madrid para participar en el ciclo de conferencias «La ciencia del cosmos, la ciencia en el cosmos», de la Fundación BBVA. Durante su breve estancia en nuestro país ha concedido esta entrevista a ABC.

-¿Qué sabemos sobre el Universo oscuro?

Poco, muy poco. Sabemos que hay dos entidades «oscuras» muy diferentes entre sí, y que la suma de ambas supone el 95% del Universo… Todo lo que conocemos, la materia que forma los planetas, las estrellas y todas las galaxias, la materia «normal» de la que estamos hechos, solo suma menos del 5% de todo lo que hay ahí fuera… ¿Se da cuenta? ¡No sabemos nada del 95% del Universo!

 

JOSÉ RAMÓN LADRA

 

 

-Esas dos entidades a las que se refiere son, por supuesto, la materia y la energía oscuras…

Sí, en efecto. Y aunque compartan el apellido, no tienen nada que ver la una con la otra. La materia oscura está ahí, pero no la vemos porque no emite radiación. Es decir, ninguno de nuestros instrumentos, incluso los más avanzados, puede detectarla directamente. No sabemos lo que es, pero sí sabemos que responde a la gravedad, y que su gravedad influye sobre el 5% de materia ordinaria, la que sí podemos ver… Si ves que una galaxia, o un grupo de galaxias, se mueven en una dirección, pero en esa dirección aparentemente no hay nada capaz de atraerlas, entonces da por seguro que ahí hay materia oscura… Según los últimos cálculos, la materia oscura es cinco veces más abundante que la materia ordinaria, y supone cerca de un 23% de toda la masa del Universo.

-Un 23% que, junto al casi 5% de la materia ordinaria suma cerca de un 28%. El restante 72% sería energía oscura, ¿no es así?

https://universitam.com/academicos/wp-content/uploads/2012/03/materia-oscura.jpg

En efecto. Y si sabemos poco de la materia oscura, de la energía oscura sabemos menos todavía… Solo que parece ser la responsable de la expansión acelerada del Universo. A finales de los noventa se descubrió que el Universo no solo se expande, haciéndose cada vez más grande, sino que además lo hace cada vez más deprisa. De alguna forma que desconocemos, la energía oscura va creando más y más espacio entre las galaxias, y aunque localmente la gravedad tiende a mantener unidas a las galaxias en grupos, una visión más general nos revela que la materia (ordinaria) está cada vez más separada en un Universo que crece de forma exponencial.

-¿Por qué no puede la Física actual explicar el Universo oscuro?

Standard Model Particles and their interactions

Porque hay algo muy importante que se nos está escapando. No sabemos lo que es, pero la falta de ese «algo» hace que todos nuestros modelos sean incompletos. La Física, a través del Modelo Estándar, ha logrado explicar casi por completo cómo funciona y de qué está hecha la materia ordinaria. Pero insisto, eso solo abarca el 5% del total del Universo. El Modelo Estándar no explica la materia oscura, ni por supuesto nos dice nada tampoco sobre la energía oscura. Necesitamos nuevos modelos, una física totalmente nueva y revolucionaria que nos saque de esta situación.

-¿Cómo de cerca está esa nueva Física a la que se refiere?

Hay varios intentos, varias teorías, pero ninguna de ellas ha podido ser comprobada. Pienso, además, que no podemos dar de lado a la Relatividad de Einstein, una teoría que se comprueba experimentalmente casi a diario y que funciona a la perfección. Creo que la teoría que nos falta debería acoplarse de alguna forma a la Relatividad. Es como si con la Relatividad solo hubiéramos descubierto una parte del total…

-El Modelo Estándar tampoco explica la gravedad, la única fuerza de la Naturaleza que no ha podido ser «cuantificada». ¿Podría ser la gravedad la llave para resolver el misterio del Universo oscuro?

Podría ser, aunque yo no hago teorías. Soy una científica experimental, y lo que me importa son los datos. Si luego esos datos coinciden con uno u otro modelo teórico, estupendo. Si no, es el modelo el que estará equivocado. Hay, como le decía, varias ideas que se centran en la gravedad, y una de las más atrevidas abre la posibilidad de que, quizá, la gravedad podría no ser constante, sino que iría cambiando a lo largo del tiempo.

 

JOSÉ RAMÓN LADRA

 

 

-¿Puede explicar eso?

Sabemos que la gravedad, en nuestra región de Universo, funciona perfectamente y con gran precisión. De hecho, podemos predecir con mucha exactitud la órbita de los planetas, los eclipses o enviar una nave a un punto determinado de Marte porque sabemos con certeza dónde estará Marte cuando la nave llegue allí. Pero no hemos probado la gravedad a grandes distancias. Es decir, no sabemos si funciona igual a millones de años luz de aquí. Lo que es igual a decir que no sabemos cómo funcionaba en el pasado. Al mirar al cielo miramos al pasado, y cuanto más lejos estemos observando más atrás en el tiempo lo haremos. Si miramos una estrella, o una galaxia, lo que vemos es su luz, pero no la que está emitiendo en el presente, sino la que emitió en algún momento del pasado. Esa luz, antes de llegar hasta nosotros, ha tenido que viajar durante miles, millones o incluso miles de millones de años. Por eso la vemos tal y como era cuando emitió su luz.

Resultado de imagen de el proyecto KIDs para estudio del Universo

-Usted participa en varios de estos programas de observación, como el proyecto KIDs…

Si. Ahora tenemos la tecnología necesaria para hacer esas comprobaciones, y eso es lo que hacemos en el proyecto KIDs, que se financia con fondos europeos. Recoger datos, miles y miles de datos, y analizarlos. Y los primeros resultados muestran que podríamos habernos topado con algo nuevo…

-¿Algo como qué?

Desde el Observatorio Europeo Austral, en Chile, observamos una región muy concreta del cielo, una que equivale a 2.200 lunas llenas y que contiene unos 15 millones de galaxias. Puede parecer algo muy grande, pero apenas es una pequeña muestra de lo que hay. Estudiamos los movimientos de todas esas galaxias en busca de materia oscura y de su distribución, y hemos encontrado que la materia oscura parece repartirse en el universo de una forma más uniforme de lo que se pensaba.

-¿Y eso a qué conclusiones lleva?

Se supone que la energía oscura reside en una región que no hemos llegado a conocer pero, está presente por todo el Universo. ¿Son fluctuaciones del Vacío que, finalmente resulta estar lleno.

Eso es importante para entender cómo actúa la energía oscura, ya que es ella la que marca el ritmo al que la materia puede aglomerarse. Hemos encontrado discrepancias con los datos del satélite Planck, y la razón es que Planck estudia la distribución de materia desde el Big Bang, y nosotros lo estamos haciendo solo en una región determinada y obtenemos los datos tal y como se ven ahora. Lo que tenemos que hacer es repetir las observaciones en muchas áreas diferentes del cielo, para tener datos más generales y representativos. Solo así podremos llegar a entender qué es y cómo funciona la energía oscura.

-Usted participa también en el proyecto Euclid, que también busca lo mismo…

Si, el objetivo es el mismo, estudiar el Universo oscuro. La diferencia es que ese satélite, que será puesto en órbita dentro de tres años, tomará datos de todo el cielo al mismo tiempo, y no solo una muestra, como hacemos ahora… Resulta emocionante pensar en lo que podremos encontrar.

-¿Cuándo prevé que habrá resultados?

Tardaremos aún entre cinco y diez años. Primero hay que recoger datos durante mucho tiempo, y después analizarlos, pero estamos en el camino.

 

JOSÉ RAMÓN LADRA

 

 

-Somos insugnificantes en el espacio y en el tiempo, y ni siquiera la materia de la que estamos hechos es la más importante del Universo ¿Cree que el ser humano es realmente el centro de algo?

No, creo que no… Somos infinitamente pequeños, y prácticamente acabamos de llegar… Además, vivimos en el único Universo posible para nosotros, porque si cualquiera de sus parámetros cambiara en lo más mínimo, no estaríamos aquí. Pero estamos, y además somos capaces de preguntarnos por la inmensidad que nos rodea, y queremos comprender lo que no entendemos… ¿Significa algo todo eso? Lo cierto es que no lo sé…

-Para terminar, y cambiando de tema, ha dicho usted que sus proyectos se financian con fondos europeos… ¿Les afectará entonces el Brexit?

Foto: Un nuevo experimento estrecha el cerco sobre el origen de la energía oscura

Un nuevo experimento estrecha el cerco sobre el origen de la energía oscura

 

 

 

(Heymans se lleva las manos a la cara). ¡Qué horror, por supuesto que sí! ¡No sabemos si vamos a poder seguir investigando, porque toda nuestra financiación procede de la Unión Europea! Veremos qué es lo que pasa… Ahora, por ejemplo, se ha vuelto muy difícil contratar buenos científicos de la Unión Europea, porque no se sabe cómo van a quedar en el futuro… Yo tengo un equipo de diez personas, y solo dos son británicos… La ciencia es internacional, es colaboración, no tiene fronteras… Yo soy escocesa y estoy en Escocia, y ahora se habla de la independencia de Escocia porque Escocia quería quedarse en la Unión Europea… ¡Así que ya veremos lo que pasa al final!