lunes, 19 de agosto del 2019 Fecha
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Creando modelos científicos para saber

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (29)

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¿Cómo sabemos (si son ciertas) las cosas que pensamos que sabemos?

¿A qué se refieren los científicos cuando dicen que ellos “conocen” lo que hay dentro del un átomo, por ejemplo, o lo que pasó en los tres primeros minutos de vida del Universo? En realidad, se refieren a que tienen lo que ellos denominan un modelo del átomo, o del universo temprano, o lo que sea en que ellos estén interesados, y que este modelo encaja con el resultado de sus experimentos, o sus observaciones del mundo. Este tipo de modelo científico no es una representación física de la cosa real, del mismo modo que un modelo de avión representa un avión de tamaño natural, sino que es una imagen mental que se describe mediante un grupo de ecuaciones matemáticas lo que se piensa que “aquello” es, y, nos dice como se comporta la Naturaleza

Los átomos y las moléculas que componen el aire que respiramos, por ejemplo, se pueden describir en términos de un modelo en el que imaginamos cada partícula como si fuera una pequeña esfera perfectamente elástica (una diminuta bola de billar), con todas las pequeñas esferas rebotando unas contra las otras y contra las paredes del recipiente.

Ésa es la imagen mental, pero es sólo la mitad del modelo; lo que lo hace un modelo científico es describir el modo como se mueven las esferas y rebotan unas contra otras mediante un grupo de leyes físicas, escritas en términos de ecuaciones matemáticas. En este caso, estas son esencialmente las leyes del movimiento descubiertas por Isaac Newton hacen más de 300 años.

Bianca Atwell y el átomo

Mirando dentro del átomo

Utilizando estas leyes matemáticas es posible predecir, por ejemplo, qué le pasará a la presión ejercida por un gas si se aplasta hasta la mitad de su volumen inicial. Si hacemos el experimento, el resultado que se obtiene encaja con la predicción del Modelo (en este caso la presión se doblará), lo que lo convierte en un buen modelo.

Naturalmente, no deberíamos sorprendernos de que el modelo estándar de un gas que lo describe en términos de pequeñas bolas que rebotan unas contra otras de acuerdo con las leyes de Newton haga esta predicción en concreto correcta, porque los experimentos fueron hechos primero, y el modelo fue diseñado o construido, para hacer encajar los resultados de esos experimentos.

                        Tenemos modelos para todo

El siguiente paso en el proceso científico es utilizar el modelo que se ha desarrollado desde las medidas efectuadas en un grupo de experimentos para hacer predicciones (predicciones precisas, matemáticas) sobre lo que le pasará al mismo sistema cuando se hacen experimentos diferentes. Si el modelo hacer predicciones “correctas” bajo nuevas circunstancias, demuestra que es un buen modelo; si fracasa al hacer las predicciones correctas, no se puede descartas completamente, porque todavía nos dice algo útil sobre los primeros experimentos; pero en el mejor de los casos tiene una aplicabilidad limitada.

Resultado de imagen de Modelo de la teoría de cuerdas

De hecho, todos los modelos científicos tienen aplicabilidad limitada. Ninguno de ellos es “la verdad”. El modelo de un átomo como una pequeña esfera perfectamente elástica funciona bien en cálculos de cambio de presión de un gas bajo circunstancias diferentes, pero si queremos describir el modo en que el átomo emite o absorbe luz, necesitamos un modelo de átomo que al menos tenga dos componentes, un núcleo central diminuto (que se puede considerar él mismo como una pequeña esfera perfectamente elástica para determinados fines) rodeado por una nube de electrones.

Creamos un Modelo en nuestra Mente y tratamos de comprobarlo con una y mil pruebas, y cuando los resultados coinciden, lo damos por bueno. Sin embargo, no siempre el Modelo es ajusta fielmente a la realidad de la Naturaleza, del Universo, toda vez que, nos quedan cuestiones por comprobar a las que no podemos tener acceso por falta de conocimientos intelectuales, por no tener la tecnología adecuada… Pero vamos avanzando.

Así es el modelo más preciso del universo que existe

Los modelos científicos son representaciones de la realidad, no la realidad en sí misma, y no importa lo bien que funcionen o lo precisas que sean sus predicciones bajo circunstancias apropiadas, siempre se considerarán aproximaciones y ayudas a la imaginación, más que la verdad absoluta. Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por partículas denominadas protones y neutrones (nucleones) lo que en realidad debería decir es que el núcleo de un átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado de protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como si” como se lee, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; científicos menores a menudo olvidan esta diferencia crucial.

Los científicos menos y muchos no-científicos, tienen otra idea equivocada. A menudo piensan que el papel de los científicos hoy en día es llevar a cabo experimentos que probarán la exactitud de un modelo con una precisión cada vez mayor -hacia posiciones con más y más decimales- ¡En absoluto! La razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir (como decía Feynman) donde fallan los modelos.

Aquí nos dicen que Omega (Ω), es decir, de la materia contenida en el Universo, depende como este pueda estar conformado: Plano, abierto o cerrado y, según sea el universo en el que vivimos, así será su final. Parece que, de todas las maneras que ha sido observado, la Densidad Crítica del Universo, es decir, la cantidad de materia que contiene, es la que hace de nuestro universo un universo plano que se expadirá para siempre.

Encontrar defectos en sus modelos es la esperanza abrigada por los mejores científicos, porque esos defectos -cosas que los modelos no pueden predecir o explicar en detalle- destacarán los lugares donde necesitamos una nueva comprensión, con modelos mejores, para progresar…

El arquetipo ejemplo de esto es la Gravedad. La ley de la gravedad de Newton se consideró la pieza clave de la física durante más de doscientos años, desde la década de 1680 hasta comienzos del siglo XX. Pero había unas pocas, aparentemente insignificantes, cosas que el modelo newtoniano no podía explicar (o predecir), referente a la órbita del planeta Mercurio y al modo como la luz se curva cuando pasa cerca del Sol.

Resultado de imagen de El Modelo de la Gravedad de Einstein

El modelo de la Gravedad de Einstein, basado en su teoría general de la relatividad, explica lo mismo que el modelo de Newton, pero también explica los detalles sutiles de órbitas planetarias y curvatura de la luz. En ese sentido, es un modelo mejor y más completo que el anterior, y hace predicciones correctas (en particular, sobre el Universo en general) que el viejo modelo no hace. Pero el modelo de Newton todavía es todo lo que se necesita si se está calculando el vuelo de una sonda espacial desde la Tierra hasta la Luna. Se podrían hacer los mismos cálculos empleando la relatividad general, pero sería más tedioso por su complejidad y daría la misma respuesta, así que, en muchos casos donde no existe la complejidad, se utiliza el modelo más sencillo de Newton.

Resultado de imagen de MOdelo gravitatorio de Newton

Así que, amigos, los modelos (todos los modelos) han sido y serán buenos en su momento y, también, como ocurrió con el de la Gravedad, vendrán otros nuevos que los superarán y servirán mejor y de manera más profunda en el conocimiento de las cosas que traten, llegando así un poco más lejos en nuestros conocimientos sobre la Naturaleza, ya que, a medida que observamos el Universo, nuestras mentes se abren al saber del mundo que nos rodea y cada vez, podemos comprender mejor lo que realmente ocurre en él.

Nuestras percepciones del Universo son, la mayoría de las veces, equivocadas, y nos formamos una idea de lo que allí está o de lo que allí ocurre que, en la realidad, es otra muy diferente. Y, eso, es así debido a que nuestros conocimientos son muy limitados sobre las cosas, y, está aconsejado por ideas preconcebidas que, muchas veces, entorpece la comprensión de esa realidad que incansables buscamos.

Cuando se consiguen describir de manera exitosa las cosas que ocurren en la Naturaleza, como es el caso de la Relatividad, tanto especial como General, a los físicos, les encanta definirlos como “modelo estándar”. El modelo de los gases de las bolas de billar (que también es conocido como teoría cinética, ya que trata de partículas en movimiento) es un modelo estándar. Pero cuando los físicos hablan de “el modelo estándar”, se están refiriendo a uno de los grandes triunfos de la ciencia del siglo XX.

Gravedad y Mecánica cuántica son los dos modelos prevalentes hoy en la física del mundo, de la Naturaleza, del Universo. Ahí están las explicaciones que de la materia, del espacio tiempo y de las fuerzas universales y las constantes podemos dar y, estamos tratando de abrir camino a nuevas teorías y modelos que nos lleven más allá pero, necesitamos saber matemáticas que no se inventaron aún y también, disponer de energías imposibles, ya que, la energía de Planck de 1019 GeV necesaria para llegar hasta las cuerdas… ¡es sólo un suelo del futuro lejano!

Resultado de imagen de Quarks y leptonesResultado de imagen de Relatividad general

Así ocurre con los modelos que describen la Mecánica Cuántica y la Relatividad, son Modelos Hitos en la Historia de la Ciencia de la Humanidad. Ambos modelos han sido explicado aquí, en mis comentarios muchas veces y, además, no es este el motivo del presente trabajo que, se circunscribe a explicar lo que es un modelo científico y como funciona, al mismo tiempo de cómo se valora su validez que, en realidad, nunca será definitiva, que es lo que ocurre con nuestros conocimientos.

Así que, dicho todo lo anterior, podemos llegar a una conclusión que estaría bien y nos acercaría a la realidad: Lo que sabemos es lo que creemos saber del mundo que nos rodea, y, no es, de ninguna manera, lo que deberíamos saber si nos estamos refiriendo a la realidad de lo que es el Universo y de lo que su Naturaleza finalmente significa y nos quiere decir, para llegar a ese final de comprensión, se necesitarán muchos modelos que se irán desechando por otros que vendrán, y, de esa manera, la Humanidad se acercará a esa realidad que tanto persigue.

emilio silvera

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Cada día, los responsables de este lugar trabajan para tí, para que puedas visitarnos y “sumergirte” en los mil secretos que tiene el Universo, la Mente humana o el Pasado. Imaginamos para tí algunas cuestiones que podrían estar en el futuro, y, dejamos referencias de teorías que podrían o no podrían ser pero que, de alguna manera, alimentan nuestros “espíritus” rellenando espacios vacíos. En realidad, esos espacios vacíos están llenos a rebosar de ignorancia que tratamos de eliminar con nuestras ideas y descubrimientos de esa realidad que perseguimos.

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Hemos explicado cuestiones complejas del Universo de la mejor manera posible para que, el entendimiento de los lectores llegaran a comprender, y, por ejemplo, como nuestra imaginación es muy grande (casi tan grande como el propio universo), se construyó una teoría o modelo de cómo se construyeron o conformaron las galaxias, y, en verdad, cómo puedo pasar eso… ¡Nadie lo sabe!

¿Cómo poder explicar la formación de galaxias a pesar de la expansión de Hubble? ¿Qué estaba allí presente para que retuviera la materia y las galaxias se pudieran construir?

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De la misma manera (a veces sin una base científica cierta avalada por el experimento), hemos construido teorías que nos llevan más lejos de lo que lo hacen las establecidas y aceptadas, éstas nuevas tratan de abrir nuevos caminos y explorar lugares que permanecen  en la densa neblinosa oscuridad en la que nos tiene sumergidos nuestra ignorancia, a la que, por cierto, queremos desterrar.

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Por los mejores físicos que han sido, se investigó y se expusieron situaciones que nos podían llevar a ese lugar en el que la claridad y la comprensión de la Naturaleza resplandeciera. Muchos han sido los que han trabajado sin descanso para que nosotros, ahora en nuestro presente, podamos comprender cuestiones que estaban profundamente escondidas en la noche de los tiempos desde Demócrito de Abdera o Empédocles de Agrigento, incluso antes que ellos, se hablaba de vacío y de átomos.

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El mismo Universo nos plantea mil y una dudas sobre su “nacimiento”, ya que, a ciencia cierta, el Modelo del Big Bang no está refrendado por ningún  “notario” o historiador que allí pudiera haber levantado Acta de lo que pasó, y, debido a eso, hemos construido el Modelo que más se asemeja a lo que observamos.

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No digamos de la existencia de multiversos que, al igual que existen cúmulos de estrellas y de galaxias… ¿Por qué razón no habrían de existir cúmulos de universos? Nuestra imaginación imparable nos lleva a señalar tal posibilidad y, precisamente por eso, la comentamos aquí muchas veces.

Resultado de imagen de Agujeros negros o agujeros blancosResultado de imagen de Agujeros negros o agujeros blancos

No hace mucho se habló aquí de agujeros negros y agujeros blancos comentando un reportaje de prensa en el que un físico nos decía que la materia oscura era la que salía del agujero blanco que estaba al otro extremo del agujero negro… ¡Una fantasía sin demostración! Pero él entrevistado, tenía la valentía de exponer sus ideas, aunque ello le costará más de una sonrisa irónica e sus colegas.

Sin embargo, ¿qué habríamos adelantado sin exponernos a poner sobre la mesa ideas peregrinas (o al menos, que así lo parecían en su momento). Recordad aquel Presidente de Sociedad científica que dijo: “Nunca sabremos de qué están hechas las estrellas” y otro que también se arriesgó a decir: “Nunca, nada más pesado que el aire volará”. No pasado mucho tiempo se pudieron leer las líneas de Franhoufer para saber de qué estaban hechas las estrellas y también, remontó el vuelo el primer avión de los hermanos Wright.

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De la Mecánica cuántica, la teoría que nos describe ese “mundo” de lo muy pequeño, hemos hablado hasta la saciedad: Entrelazamiento cuántico, el gato de Schrödinger, el Principio de Incertidumbre, El Princpio de Exclusión de Pauli, El Efecto fotoeléctrico, el cuerpo negro y su emisión de energía de manera cuantizada, los átomos, el proceso triple alfa en las estrellas… El Salto cuántico…

Un sin fin de discusiones y comentarios surgieron de todos estos escenarios que nos hicieron disfrutar y, ¿qué duda nos puede caber? ampliaron nuestras Mentes? De los comentarios y cruces de ideas, siempre se aprende alguna cosa, ya que,m lo que tu no sabes lo sabe el compañero contertulio.

¡Os pedimos que sigáis así, y, a los retraídos, les aseguro que exponer aquí cualquier idea por perigrina que os parezca… siempre será positivo!

Gracias a todos amigo.

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Los astrónomos han descubierto que la asociación de la luz intracumular -luz tenue de la imagen- y la materia oscura

Los astrónomos han descubierto que la asociación de la luz intracumular -luz tenue de la imagen- y la materia oscura – NASA, ESA y M. Montes (Universidad de Nueva Gales del Sur)

Un estudio en el que participan científicos españoles detecta un tenue brillo estelar que se distribuye de forma casi idéntica a este tipo de materia que supone el 80% del universo

 

 

 

Aunque no se puede observar, supone un 80% de toda la materia que existente en el universo. Se trata de la materia oscura, de cuya existencia el hombre sabe desde la década de los años 30 por los movimientos de las galaxias dentro de los cúmulos formados centenares de ellas. Ahí se esconde esta fuerza gravitatoria invisible que la ciencia aún no ha conseguido comprender del todo. Recibe su nombre porque se creía compuesta de materia ordinaria que no emitía ni refleja la luz. Sin embargo, en la actualidad se sabe que, en realidad, su naturaleza es distinta, «exótica» y es transparente en todos los rangos del espectro electromagnético. Aún así, el término «oscuro» se ha quedado en su denominación.

Resultado de imagen de relacionan la distribución de la materia oscura con la de la luz intracumular.

Ahora, un grupo de científicos entre los que también se encuentran los investigadores españoles Mireia Montes -de la Universidad de New South Wales y de la Universidad de Yale-, e Ignacio Trujillo, -del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de La Universidad de La Laguna (ULL)-, han publicado un artículo en la revista « Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» donde relacionan la distribución de la materia oscura con la de la luz intracumular. Una luz que no pertenece a ninguna galaxia en concreto, sino que forma parte de la estructura global de la agrupación galáctica, y que también es apodada «luz fantasmal» por su tenue brillo. Este hallazgo permitiría «ver» esta materia «exótica» a pesar de su invisibilidad, o al menos intuir con precisión su disposición como nunca la humanidad ha podido hacerlo.

Seis cúmulos galácticos formados por miles de galaxias

 

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Para ello, han estudiado seis cúmulos galácticos a través del telescopio espacial Hubble. Estas seis agrupaciones de cientos, e incluso miles de galaxias han sido investigadas con los datos de la iniciativa Hubble Frontier Fields, que reconstruyó la distribución de la masa de materia oscura a partir del efecto de las lentes gravitacionales. Un proceso complejo con el que se calcula la masa de grandes objetos gravitatorios que curvan la luz emitida por galaxias distantes, produciendo un efecto similar al de una lente.

«Al observar cómo se repartía la materia oscura a través del cúmulo nos dimos cuenta de que lo hacía como la luz intracumular», explica Montes. De hecho, utilizaron la distancia de Hausdorff, un marcador que sirve para establecer la similitud entre dos conjuntos de puntos -y que los teléfonos inteligentes o «smartphones» aplican en sus sistemas de reconocimiento facial, por ejemplo- para comprobar que realmente estos dos parámetros coincidían.

Trujillo, al respecto, explica: «Comparamos la distribución de luz intracumular con la ubicación de la masa de materia oscura y de los rayos X. Las dos primeras son idénticas, hasta donde los datos permiten observar. Por primera vez, estamos viendo algo que se distribuye igual que la materia oscura. Esto permitiría estudiar su localización de forma precisa en más cúmulos de galaxias, sin necesidad de reconstruir los mapas de lentes».

Imagen del cúmulo de galaxias Abell S1063 situado a unos 4000 millones de años luz de distancia de la Tierra. Sobrepuesto en la imagen pueden apreciarse los contornos de la distribución de la materia oscura (en violeta) y la distribución de la débil luz intracumular (en verde). Los contornos se distribuyen de forma similar

Imagen del cúmulo de galaxias Abell S1063 situado a unos 4000 millones de años luz de distancia de la Tierra. Sobrepuesto en la imagen pueden apreciarse los contornos de la distribución de la materia oscura (en violeta) y la distribución de la débil luz intracumular (en verde). Los contornos se distribuyen de forma similar – Gabriel Pérez Díaz (SMM, IAC)

Las estrellas que flotan libres

 

Resultado de imagen de La luz intracumular se ajusta tanto a la distribución de materia oscura porque las estrellas no chocan entre sí.

 

Dicen que son fósiles del Big Bang… ¿Dónde está la “materia oscura”?

 

La luz intracumular se ajusta tanto a la distribución de materia oscura porque las estrellas no chocan entre sí. Esta luz se crea por el arranque de las estrellas de las partes más externas de las galaxias que conforman el cúmulo. Estas estrellas son luego arrastradas y flotan libremente dentro del cúmulo de galaxias bajo la acción gravitatoria del cúmulo como un todo. El brillo superficial de la luz intracumular es extremadamente bajo, 100 veces más tenue que el que se aprecia en el cielo nocturno de las zonas más oscuras del planeta, como el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma).

Resultado de imagen de La luz del Universo

«Que la materia oscura y la luz intracumular se distribuyan igual—indica Montes—, nos abre las puertas a estudiar esta distribución de materia oscura en cientos de cúmulos de una manera mucho más eficiente que antes». Este descubrimiento permite avanzar en la comprensión de la materia oscura y abre la puerta a futuras investigaciones en otros cúmulos de galaxias. «Establecer la localización de la materia oscura ayudará a entender el origen de esta componente de la naturaleza tan poco conocida», concluye Trujillo.