¿Viajes en el Tiempo? ¡Otro sueño de la Humanidad!

Los quarks al otro lado del espejo. Científicos del Laboratorio Nacional Jefferson Lab (EEUU) han verificado la rotura de la simetría de paridad (también llamada simetría del espejo) en los quarks mediante el bombardeo de núcleos de deuterio con electrones de alta energía. Los núcleos de deuterio están formados por un protón y un neutrón, es decir, por tres quarks arriba y tres quarks abajo. La dispersión inelástica entre un electrón y un quark, es decir, su colisión, está mediada por la interacción electrodébil, tanto por la fuerza electromagnética como por la fuerza débil. Esta última es la única interacción fundamental que viola la simetría de paridad.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y, lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar la coherencia matemática del modelo estándar.  La idea de Higgs, y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes.  Parece, con tantos parámetros imprecisos (19) que, el modelo estándar se mueve bajo nuestros pies.

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “súpersimetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

La Física nos lleva de vez en cuando a realizar viajes alucinantes. Se ha conseguido relacionar y vibrar a dos diamantes en el proceso conocido como entrelazamiento cuántico. El misterioso proceso, al que el propio Eisntein no supo darle comprensión completa, supone el mayor avance la fecha y abre las puertas de la computación cuántica. que nos hagamos una idea del hallazgo, en 1935 Einstein lo llegó a denominar la “acción fantasmal a distancia”. Un efecto extraño en donde se conecta un objeto con otro de manera que incluso si están separados por grandes distancias, una acción realizada en uno de los objetos afecta al otro.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).  Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.  Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado! Pero se sigue hablando de partículas supersimétricas.

                                   ¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa.  En el Hiperespacio, todo es posible.  Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intento calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.  Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello,  no la tiene ni la nueva capacidad energético del  acelerador de partículas LHC . Ni sumando todos los aceleradores de partículas de nuestro mundo, podríamos lograr una energía de Planck (10¹⁹ GeV), que sería necesaria para poder llegar hasta las cuerdas vibrantes de la Teoría. Ni en las próximas generaciones seremos capaces de poder utilizar tal energía.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías. Sabemos sobre las partíoculas elementales que conforman la materia bariónica, es decir, los átomos que se juntan para formar moléculas, sustancias y cuerpos… ¡La materia! Pero, no sabemos si, pudiera haber algo más elemental aún más allá de los Quarks y, ese algo, pudieran ser esas cuerdas vibrantes que no tenemos capacidad de alcanzar.

¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.  El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo.  El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

                  Con 7 TeV fuesuficiente para encontrar la famosa partícula de Higgs pero…

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs.  Las partículas influidas por este campo, toman masa.  Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético.  Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc², ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo.  Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein.  La masa, m, tiene en realidad dos partes.  Una es la masa en reposo, m₀, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo.  La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.  Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Peor la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo.  Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo.  El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por las nuevas energías del acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas -Las masas de los W⁺, W^–, y Z^º, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV.  Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-Salam).  Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles.  En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa -los W⁺, W^–, Z^º y fotón que llevan la fuerza electrodébil.  Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa.  La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.  Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron.  Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”.  Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.  Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas.  Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero.  El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs de masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad.  Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acció la fuerzxa nuclear débil.  Un quark tipo u cambia a uno tipo d por medio de la interacción débil así

Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino. Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos núcleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrónes).

La interacción débil, recordareis, fue inventada por E.Fermin para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV.  Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas.  ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? Como s su partícula, nos cabe esperar que la veamos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

El campo de Higgs, tal y como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Estas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puso y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10′⁵ grados kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas.  Así por ejemplo, antes de Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El Universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe.

Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^–, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que las hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

De todas las maneras, era tanta la ignorancia que teniamos sobre el origen de la masa que, nos agarrabamos como a un clavo ardiendo el que se ahoga, en este caso, a la partícula de Higgs que, algunos, llegaron a llamar, de manera un poco exagerada:

¡La partícula Divina!

¡Ya veremos en que termina todo esto! Y que explicación se nos va ofreciendo desde el CERN en cuanto al auténtico escenario que según ellos, existe en el Universo para que sea posible que las partículas tomen su masa de ese oceáno de Higgs, en el que, según nuestro amigo Ramón Márquez, las partículas se frenan al interaccionar con el mismo y toman su masa, el lo llama el “efecto frenado”.

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas.  La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y Abdus Salam, que trabajaban por separado, para comprender como se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W⁺, W^– y Z⁰ de masa grande.  Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martines Veltman y Gerard’t Hooft.  También hay otras a los que había que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera muy injusta.  Además, ¿Cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?

La verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos.  Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalle sueltos y físicos que prepararon el terreno para que, llegara Einstein y pudiera, uniéndolo todos, exponer su teoría relativista. (Mach, Maxwell, Lorentz… y otros).

Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, decía que era una alfombra bajo la que barríamos nuestra ignorancia.  Glasgow era menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales.  La objeción principal: que no teníamos la menor prueba experimental parece que se esfumó en 2012 cuando “encontraron” la dichosa partícula.

Ahora, por fin la tenemos con el LHC, y ésta pega, se la traspasamos directamente a la teoría de supercuerdas y a la materia oscura que, de momento, están en la sombra y no brillan con luz propia, toda vez que ninguna de ellas ha podido ser verificada, es decir, no sabemos si el Universo atiende a lo que en ellas se predice.

El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” menos de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.

Después de todo esto, llego a la conclusión de que, el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de cómo pudo surgir  el Universo dependen de que se encuentre el bosón de Higgs, Se averigue si realmente existe la materia oscura, Sepamos llegar al fondo de la Teoría de Cuerdas y confirmarla, Poder crear esa Teoría cuántica de la Gravedad…Y, en fín, seguir descubriendo los muchos misterios que no nos ejan saber lo que el Universo es.  Ahora, por fin, tenemos grandes aceleradores y Telescopisos con la energía necesaria y las condiciones tecnológicas suficientes para que nos muestretodo eso que queremos saber y nos digan dónde reside esa verdad que incansables perseguimos.

¡La confianza en nosotros mismos, no tiene límites! Pero, no siempre ha estado justificada.

emilio silvera

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.

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.

                          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.

        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

         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!

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.

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 = k_B ln W, donde k_B 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.

            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:

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

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!

-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?

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?

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.

-¿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.

-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.

-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?

(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!

  Nebulosas Planetarias y estrellas enanas blancas

Las estrellas enanas rojas son las más abundantes en el Universo y, desde luego, las que tienen la vida más larga. Algunas son casi tan viejas como el universo mismo, el poco material de fusión que sonsumen las llevan hasta esas edades matusalénicas de miles de millones de años, más de diez mil millones tienen algunas que, nos podrían contar muchas, muchas cosas de las que fueron testigos. Otras como nuestro Sol, estrellas GV2 enana amarilla es también del tipo más abundante. Luego están una prléyade de estrellas de mayor envergadura y grandes masas que van desde las 10 hasta las casi 150 masas solares.

Según se estima, las estrellas cuando tienen unas 120 masas solares han llegado a un límite en el que, su propia radiación las puede destruir. Sin embargo, se han descubierto estrellas que llegan hasta las 150 masas solares. ¿Por qué se mantienen “vivas” y no explotan. Bueno, todos los indicios apiuntan al hecho de que, para desahogar y esquivar los efectos de la inmensa radiación que produce la fusión nuclear, eyectan de manera periódica, material al espacio interestelar y se tranquiliza. Ahí tenenos el ejemplo de Eta Carinae.

Existen estrellas hipergigantes que son las que sobrepasan las 30 masas solares, así fueron denominadas cuando se observaron los objetos más brillantes en las Nubes de Magallanes, aunque en realidad, lo que vieron eran cúmulos de estrellas y no estrellas individuales. Sin embargo de estrellas supermasivas existen múltiples ejemplos y, hemos podido comprobar que, la enorme cantidad de material de fusión que consumen las lleva a una vida corta. Las estrellas supermasivas sólo viven unos pocos millones de años, mientras que estrellas como el Sol, llegan a los diez mil millones de años de vida.

Hay muchas clases de estrellas: Estrellas capullos envueltas en una nube de gas y polvo, estrellas de baja o de alta velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de baja luminosidad, de baja masa, de Bario, de manganeso, de Carbono, de Litio, de Bariones, de campo, de Circonio, de estroncio, estrellas de Helio, de la rama gigante asintótica, de manganeso-mercurio, de metales pesados, de neutrones, (¿de Quarks?), estrellas de referencia, de Silicio, de Tecnecio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del Polo, estrella doble, estrella enana, estrella estándar, evolucionada, estrella Flash, estrella fulgurante, magnética, estrella guía, hipergigante, estrella invitada, múltiple, peculiar, pobre en metales, estrella reloj, simbiótica, rica en metales, supermasiva, fijas, gigantes…, cada una de ellas tiene su propia personalidad, su propio color y temperatura y también, una media de vida que depende de manera dirtecta de su masa.

Los elementos químicos se fraguan dentro de ellas, y, también al final de sus vidas, en las explosiones Supernovas, se crean los materiales más complejos de la Tabla Periódica. Estos materiales, van formar parte de las grandes Nebulosas de las que vuelven a surgir nuevas estrellas y nuevos mundos que estarán hechos de todos esos eslementos creados en las estrellas y, como nosotros mismos provenimos de ahí, es fácil oir la expresión: “Somos polvo de estrellas”.

Las estrellas no son ninguna excepción y como todo en nuestro Universo, con el paso del tiempo evolucionan y, a medida que van consumiento su combustibles nuclerar de fusión, van acortando sus vidas que, en funsión de la masa, será más corta o más duradera y también, sus finales serán distintos por la misma causa: Estrellas como el Sol = Enanas Blancas. Estrellas de varias masas solres = Estrella de Neutrones. Estrellas masivas y supermasivas = Agujeros Negros.

Esas transmutaciones que se producen durante un largo período de tiempo, conllevan fenómenos que se producen de distintastas maneras en cada una de esas estrellas. En unas, se alcanza la estabilidad al degenerarse los electrones (que son fermiones), que siguen la Ley de Pauli del Principio de esclusión. Ahí aparecen las enanas blancas.  De la misma manera sucede en estrellas más masivas que el Sol pero, al tener más masa, no es suficiente que los electrones se degeneren y, entonces, electrones y protones se fusionan para convertirse en Neutrones que son (al ser fermiones), los que se degeneran y estabiliza a la estrella como de Neutrones. Cuando ya la masa es muy grande, nada puede frenar a mla Gravedad y lo que nos queda es un Agujero Negro.

Es cierto que en las inmensas masas de gas y povo que conforman las grandes Nebulosas, han sido halladas moléculas y ácidos necesarios para que, en los mundos apropiados, germine la vida. Esos remanentes de materiales y elementos contienen todo lo necesario que, cuando interacciona con un entorno adecuado, se reúne para producir la transición de fase que recorre el largo camino que va, desde la “materia inerte hasta los pensamientos”. Es decir, el surgir de la vida.

Lo cierto es que, la química de las estrellas está presente en los mundos para que pueda surgir la Vida

Decir eso de que los elementos estelares llegaron a la Tierra y pudo surgir la Vida, no es, en realidad, contar gran cosa de lo que pudo pasar para que nosotros ahora, podamos estar aquí contando sobre ello. Los actuales descubrimientos de la Paleontología, la más tradicional de las científicas, se entrelazan con nuevas ideas nacida de la biología molecular y la geoquímica. Los huesos de los dinosaurios son grandes y espectaculares y nos llevan al asombro. Pero, aparte del tamaño de sus habitantes, el Mundo de los dinosaurios se parecía mucho al nuestro. Contrasta con él la historia profunda de la Tierra, que nos cuentan fósiles microscópicos y sutíles señales químicas y que es, pese a ello, un relato dramático, una sucesión de mundos desaparecidos que, por medio de la transformación de la atmósfera y una evolución biológica, nos llevan hasta el mundo que conocemos hoy.

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 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.

Nada surge de manera espontánea, todo se fragua durante un tiempo que tiene marcado por la Naturaleza y, nosotros, hemos tardada (como humanos verdaderos), más de 13.000 millones de años en porde llegar hasta aquí. El tiempo necesario para que las estrellas fabricaran la materia prima y después, el mundo pusiera su granito de arena para que ésta pudiera evolucionar, con la ayuda de la radiaicón del Sol, el agua corriente, una adecuada atmósfera, la presencia de océanos, las placas tectónicas que reciclan periódicamente el planeta… ¡No, no es nada fácil que la vida surja en un Mundo!

Pero en el Universo, son muchas las cosas que pueden pasar, muchos los objetos que están presentes, imnumerables los fenómenos que de una u otra cuestión pueden estar pasando de manera continuada y que no siempre, sabemos comprender.

  ¡NO! No es el gran Ojo que todo lo ve y nos mira desde las alturas es una simple Nebulosa Planeteria, es decir, lo que quedará después de que el Sol muera. Una enana blanca en el centro (ese puntito blanco), y, una bonita nebulosa multicolor.

Simplemente se trata del fenómeno que conocemos como “Halo atmosférico”, un anilo o arco de luz que parece rodear al Sol (también a la Luna), resultado de la refracción y la reflexión de la luz solar o lunar por los cristales de hielo de los cirros. Los halos solares y lunares más comunes un diámetro angular de 46^º. Por lo general, el borde del halo muestra un efecto prismático, estandio la luz azul refractada hacia el borde exterior y la rpoja al interior. Como resultado de la refracción preferencial de la luz hacia el borde del halo , la zona del cielo interior a un halo es más oscura que la interior. Los halos lunares solo pueden ser vistos claramente cuando la Luna es brillante, típicamente en un intervalo de cinco días en torno a la Luna llena.

El Halo Galáctico está referido a cualquier material situado en una distribución aproximadamente esférica de una galaxia, y que se extiende hasta más allá de las regiones visibles. Puede referirse a la población de estrellas viejas (Población II), incluyendo a los cúmulos globulares, con poca o ninguna rotación alrededor del centro galáctico; o gas tenue, altamente ionizado y de alta temperatura que envuelve a toda la galaxia, incluso, muchas veces el halo galáctico está referido a una especie de neblina inconcreta que circunda toda la galaxia sin que termine de hacerse presente pero, ahí está.

Alguna vez podemos contemplar una que nos parece más o menos atractiva pero, no sabemos discernir sobre lo que en realidad estamos contemplando. Por ejempo, arriba tenemos la conocida como NGC 604,  una región H II gigante en la galaxia del Triángulo. Una región H II es una de gas y plasma brillante que puede alcanzar un tamaño de cientos de años-luz y en la cual se forman estrellas masivas. Dichas estrellas emiten copiosas cantidades de luz ultravioleta extrema (con longitudes de onda inferiores a 912 Ångstroms) que ionizan la Nebulosa a su alrededor.

                                               Las regiones H II son muy abundantes en nuestra Galaxia

Cada átomo de hidrógeno ionizado contribuye con dos partículas al gas, es decir, con un protón y un electrón. Las Regiones H II son calientes con temperaturas típicas de 10 000 K, y son entre 10 y 100 000 veces más densas que las regiones H I. Se encuentran normalmente alrededor de las estrellas O y B jóvenes y masivas, siendo el gas ionizado por su intensa luz ultraviloleta, haciendo que éste brille. La Nebulosa de orión es una famosa Región H II. Las Regiones H II pueden ser detectadas en la Galaxia por sus intensas emisiones en e infrarrojo. La radioemisión es debidaal bremsstrahlung del gas ionizado, y la radiación infrarroja a la emisión térmica del polvo.

Las Regiones H II aquí muy presentes y dada su gran extensión. La nebulosa de Orión es uno de los objetos astronómicos más fotografiados, examinados, e investigados. De ella se ha obtenido información determinante acerca de la de estrellas y planetas y a partir de nubes de polvo y gas en colisión. Los astrónomos han observado en sus entrañas discos protoplanetarios, enananas marrones, fuertes turbulencias en el movimiento de partículas de gas y efectos fotoionizantes cerca de estrellas muy masivas próximas a la nebulosa.

Una región H I es una nube formada por hidrógeno atómico frío, poco denso y no ionizado con temperaturas de alrededor de 100 K. Las regiones HI no emiten radiación en el rango visual, sólo en la región de radio. La notación H I se refiere al hecho de que los átomos de Hidrógeno no están ionizados como lo están en los que están presentes en la regiones H II (arriba). Cada átomo de Hidrógeno neutro contribuye al gas justo con una partícula. la Densidad de las regiones H I es demasiado sencilla como para que se formen moléculas de hidrógeno, y la luz estelar disociará cualquier molécula formada, de manera que el gas permanece en forma de átomo. El Hidrógeno neutro contrinuye aproximadamernte a la mitad de toda la materia interestelar en masa y en volumen,  con una densidad media de 1 Átomo/ cm³. Las regiones H I son frías.

Del asomnbroso universo son muchas las cosas que desconocemos, y, poco a poco, vamos pudiendo descubrir muchos de sus misterios que nos acercan cada vez más, a saber dónde estamos y lo que podemos o no podemos esperar de lo que hay en nuestro entorno.

 

Lo de que la Voyager 1 había dejado atrás la zona bajo influencia directa del viento solar y se encontraba ya surcando el interplantario se convirtió rápidamente en una de las grandes noticias astronómicas del año, en especial por toda la carga simbólica que representa que, por primera vez, un ingenio construido por la Humanidad había traspasado por primera vez esa frontera invisible que nos separa y aisla del océano estelar. Pero para los científicos de la misión la llegada a este nuevo reino con una sonda aún operativa y capaz de seguir enviado al menos hasta 2020 es un regalo del que esperan grandes resultados. Y es que más allá del límite solar se extiende una región tan amplia como desconocida, y mucho más compleja de lo que podamos imaginar.

El movimiento de esta estrella binaria fue un misterio durante más de 30 años, e incluso se presentó como un posible fracaso de la Relatividad General de Einstein. Ahora un encabezado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha resuelto el misterio. Se observan hechos que no siempre podemos explicar y, persistimos en la búsqueda de las respuestas hasta que las podemos encontrar.

En el efecto periastro se puede contemplar el brillo de una estrella binaria que tiene una órbita altamente excéntrica. Cuando la separación entre las componentes es mínima. Es de hecho, un aumento del efecto de reflexión en el instante del periastro, y surge por la misma causa: la irradiación de una estrrella por la otra.

Hemos llegado a saber de nuevas estrellas, vientos estelares, radiación, energías, estrellas de neutrones o púlsares, agujeros negros, enanas rojas y blancas, ¿estrellas de Quarks? ¿materia oscura? mundos…¿Civilizaciones? ¡El Universo! Lo que todo lo contiene, ahí estan presentes todas las cosas que existen y las que tienen que existir… El espaciotiempo, las fuerzas fundamentales de la Naturaleza…¡La Vida!

Cuando pensamos en la edad y el tamaño del Universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y como años, kilómetros o años-luz. Como y a 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? ¿porqué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

Ésta es una situación en resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales” la , 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 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 , lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

Lo cierto es que, desde el comienzo del Tiempo, allá por los confines impenetrables de la lejanía del Big Bang (si es que fue así realmente como nació el Universo), se tuvieron que esperar algunos cientos de millones de años para que suregieran las primeras estrellas, pasar por las Eras de la Radiación, la Era Leptónica, la de la Materia, que se produjera la descongelación de los fotones para que el Universo se hiciera de luz… Después de miles de millones de años, el Universo tenía los elementos necesarios para que, la Vida, pudiera surgir en los mundos adecuados y… ¡Aquí estamos!

Aquí estamos tratando de saber lo mismo que quisieron saber nuestros ancestros filósofos: ¿De dónde venimos? ¿Qué hacemos aquí? ?Hacia Dónde vamos? ¿Tendremos algún destino predeterminado…

Y seguiremos, dentro de nuestra inmensa ignorancia, haciendo preguntas mientras estémos por aquí.

emilio silvera