viernes, 07 de agosto del 2020 Fecha
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¿Vida en otros mundos?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo y la Vida, Noticias    ~    Comentarios Comments (0)

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La inteligencia puede ser algo tan raro en la evolución como la trompa del elefante

La inteligencia puede ser algo tan raro en la evolución como la trompa del elefante – Adobe Stock

Por qué en otros planetas debería haber más inteligencias como la nuestra

El físico y escritor Paul Davies explica en un artículo cómo la Ciencia trata de averiguar si estamos o no solos en el Universo

 

 

Hasta hace poco, la cuestión de si estamos o no solos en el Universo no formaba parte de la discusión científica. En su lugar, filosofías y religiones se encargaban de buscar respuesta a esta pregunta, una de las más antiguas y profundas de cuantas se ha formulado la Humanidad.

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Sin embargo, la cosa ha cambiado. Y mucho. La Ciencia, en efecto, ha irrumpido con fuerza en un territorio que antes era solo metafísico, y ha demostrado que, armada con el método científico, tiene mucho que decir al respecto. Ahí están los más de 4.000 planetas descubiertos hasta ahora fuera del Sistema Solar, algunos de ellos con intrigantes similitudes con la Tierra; o el hallazgo de materia orgánica prácticamente por todas partes, incluso en los rincones más insospechados y hostiles del Universo; o la búsqueda sistemática e incansable de formas de vida en lugares como Marte, Europa, Encelado… o Plutón.

Sarasvati. Inter University Centre for Astronomy & Astrophysics

Un equipo de astrónomos de la India ha identificado un supercúmulo de galaxias, posiblemente el más lejano que se conoce, situado en la dirección de la constelación de Piscis. La investigación sugiere que Sarasvati es una de las mayores estructuras del universo.

La estadística, además, habla claro. En un Universo que tiene billones de galaxias y trillones de estrellas, muchas de ellas con planetas a su alrededor, resulta absurdo pensar que la vida sólo haya podido florecer en uno, el nuestro. Y aunque no tenemos aún ni idea de cómo (ni dónde) la vida se estrenó en primer lugar, muy pocos dudan en la actualidad de que “ahí arriba”, en alguna parte, existen planetas “gemelos” a la Tierra, con múltiples formas de vida y quizá, solo quizá, también con especies inteligentes.

En un brillante artículo recién publicado en la revista Cosmos, el físico y escritor británico Paul Davies, director del prestigioso instituto Beyond de la Universidad Estatal de Arizona, reflexiona sobre la cuestión y se pregunta, con la Ciencia en la mano, si realmente la inteligencia es una consecuencia inevitable de todo proceso evolutivo.

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“Durante 50 años -escribe Davies- una banda de astrónomos heróicos ha estado barriendo los cielos con sus radiotelescopios con la esperanza de tropezar con un mensaje emitido por una civilización extraterrestre“. El científico añade que esa empresa “se basa en el supuesto de que la inteligencia es un producto esperado de la evolución biológica. ¿Pero es así realmente?”

Para tratar de responder esa pregunta, Davies echa un vistazo al pasado de nuestro propio planeta, la única muestra de vida que conocemos, y se fija en cómo ha sido la historia de la evolución. “Algunas características, por ejemplo los ojos y las alas, han evolucionado de forma independiente muchas veces, probablemente porque aportan mucho valor a la supervivencia. Por lo tanto, podríamos esperar que la vida extraterrestre también posea estas características. Pero otras, sin embargo, como la trompa del elefante, parecen ser más bien aberraciones barrocas, resultado de raros accidentes evolutivos”.

Y llegamos así a la inteligencia humana. ¿Es esta característica similar a los ojos y las alas, compartidas por muchas especies, o se parece más a la trompa del elefante?

Tener el tiempo suficiente

 

Resultado de imagen de Los dinosaurios reinanron 200 millones de años

 

Los dinosaurios, escribe Davies, dominaron la Tierra durante 200 millones de años (diez veces más de lo que llevamos nosotros), pero nunca construyeron herramientas, levantaron ciudades o conquistaron la Luna. Lo cual lleva a pensar que la inteligencia humana es algo raro, y no un producto inevitable de la selección natural. “Y si es así -bromea el físico- eso son malas noticias para SETI“.

Para Davies, lo que aquí está en juego es el propio concepto que tenemos sobre lo que es la evolución. Algunos piensan que existe una dirección en los procesos evolutivos, una “flecha” que parte de los organismos más simples y avanza hasta llegar a los más complejos. En este sentido, el ser humano ocuparía la posición más alta en la escala evolutiva. Demos a la evolución el tiempo suficiente, dicen los partidarios de esta idea, y nos llevará hasta la inteligencia.

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Si nos guiamos por la lógica y la estadística, pensar en la vida situada sólo en la Tierra… ¡Sería una temeridad! El UNiverso es igual en topdas partes, en todas sus regiones rigen las mismas leyes, lo que pasa en un sitio también pasará en otro… La vida se adapta y surge en las precisas condiciones.

La mayoría de los científicos, sin embargo, no creen que la evolución se esté dirigiendo a ningún sitio en particular. “No hay una flecha del tiempo incorporada -dice Davies- no hay un impulso innato hacia la complejidad o la inteligencia“.

Hace apenas unos días, en una entrevista concedida a ABC, el paleoantropólogo Juan Luis Arsuaga también aseguraba que “mucha gente cree que la vida va progresando, desde las bacterias hasta nosotros, pero no es así. Yo soy de los que opinan que la única tendencia apreciable de la evolución es la diversificación. Partimos del espacio disponible y se aprovechan todas las oportunidades. La vida no tiene dirección, pero tiene mucha capacidad de adaptación, y va cambiando”.

Los primeros signos de vida en la Tierra fueron hallados en Australia

SimonKr d.o.o./iStock/Thinkstock

Más allá de las teorías sobre el origen de la vida, los signos de vida más antiguos sobre el planeta hasta ahora han sido hallados. Según un equipo de investigación dirigido por David Wacey, un complejo ecosistema de microbios encontrado en las rocas sedimentadas en la región australiana de Pilbara podría ser nada menos que la primera manifestación de vida en la Tierra.

Davies, en su artículo, se muestra en sintonía con esta opinión: “Es cierto que la vida en la Tierra comenzó con microbios simples, pero el surgimiento de una mayor complejidad fue simplemente el producto de una exploración serpenteante en el vasto espacio de posibilidades biológicas, y no una tendencia sistemática”.

“Todo lo cual – prosigue el científico- arroja serias dudas sobre si, incluso en un Universo repleto de vida, puede haber civilizaciones alienígenas avanzadas capaces de enviar mensajes de radio“.

Queda una esperanza

 

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Resultado de imagen de epigenética juega un papel importante en la evolución de los cerebros, entonces sería posible imaginar una especie de "cociente cerebral acelerado".

 

Toda la vida que conocemos en la Tierra está basada en el Carbono, es probable que si alguna vez la encontramos (o nos encuentran “ellos” a nosotros), sus formas de vida también estén relacionadas con este elementos que, según parece es la base mejor adaptada y maleable para ello.

 

Sin embargo, y a pesar de todo, nos queda aún una esperanza. Y es que la teoría de la evolución no está, ni mucho menos, completa. Y durante los últimos años algunos biólogos se han atrevido a desafiar el dogma darwinista dominante de que la evolución no sigue una dirección concreta.

De hecho, explica Davies, “se han identificado varios mecanismos según los cuales las características adquiridas durante la vida de un organismo parecen transmitirse a su descendencia, en un proceso conocido como herencia epigenética“.

Si eso fuera cierto, y resultara que la herencia epigenética juega un papel importante en la evolución de los cerebros, entonces sería posible imaginar una especie de “cociente cerebral acelerado”.

“El registro fósil -escribe Davies- apunta a una tendencia alcista en el cociente de encefalización, una medida del tamaño del cerebro en relación con la masa corporal, entre los homíninos de los últimos millones de años. Y asumiendo que algo así funcionara también en otros planetas, tal vez no estemos tan solos después de todo”.

Noticias de Prensa

Acercarse a la velocidad de la luz… trae consecuencias

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

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Todos sabemos de los fenómenos que se pueden producir en algunos aspectos de la relatividad especial de Einstein. Él no quiso llamarla de esa manera y, había pensado que “teoría de la invariabilidad” que reflejaba el carácter invariable de la velocidad de la luz, entre otras cosas, estaría bien. Sin embargo, finalmente se quedó como la Teoría de la Relatividad Especial. La obra de Eintein demostraba que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar sepados y ser absolutos, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente, también están interrelacionadas. La más famosa de sus fórmulas constituye uno de los ejemplos más importantes.

En esta escueta fórmula Einstein afirma que la energía (E) de un objeto y su masa (m) son conceptos independientes; podemos determinar la energía a partir de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c2) o podemos determinar la masa conociendo su energía (dividiendo esta úlñtima dos veces por la velocidad de la luz). En otras palabras, la energía y la masa son las caras de una misma moneda. Claro que, el tipo de cambio es grande (c2 es una cantidad considerable). Una masa pequeña llega a producir una cantidad considerable de energía.

Nube de hongo sobre Hiroshima después de haber soltado la bomba Little Boy.
La nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear sobre Nagasaki.
   Nube del hongo sobre Hirosima y
   Nube del hongo sobre Nagasaki
En Hirosima se utilizó como arma el devastador poder destructivo obtenido de la conversión en energía de menos del uno por ciento de 900 gramos de uranio; algún día,  en centrales energéticas de fusiòn podremos utilizar productivamente la fórmula de Eisntein para bien de la Humanidad y satisfacer la demanda de energía del mundo moderno aprovechando la materia prima inagotable que tenemos en el agua de los mares y océanos de la Tierra.
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Los conceptos que ponen de relieve la Teoría de la Relatividad Especial, ponen de relieve principios fundamentales y una de las cosas que nunca podremos hacer es ir más rápido que la velocidad de la luz. Algunos de ustedes se podrá preguntar ¿por qué no podemos coger un objeto, por ejemplo un muón, que un acelerador de partículas haya impulsado hasta conseguir que se mueva a 298 168 Km/s -el 99,5 por ciento de la velocidad de la luz- y “empujarlo un poco más”, consiguiendo que vaya al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz, y entonces”empujarlo realmente un poco más” para tratar de que cruce la barrera de la velocidad de la luz.

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

 

  1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
  2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

 

 

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Posiblemente, si tenemos el tiempo necesario para ello, al final encontraremos el camino para poder “burlar” (que no superar) la velocidad de la luz en el vacío, y, de esa manera podremos, finalmente, ir a otros mundos allí fuera, en las estrellas.

 

Estamos tratando de cruzar la barrera de la velocidad de la luz pero, Einstein, en su fórmula nos explica que tal cosa no es posible, y, el esfuerzo no tendría éxito precisamente por lo que antes hemos explicado para las dos maneras en que se transmite la energía y se puede incorporar a un cuerpo libre.
Cuanto más rápido se mueve un objeto, más energía tiene y, a partir de la fórmula de Einsteon, vemos que cuanta más energía tiene un objeto, más masa posee. Por ejemplo, los muones que se desplacen al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz pesan más que los muones inmóviles. De hecho, la verdad es que se vuelven 22 veces más pesados.
Resultado de imagen de La masa aumenta a velocidades cercanas a la de la luz
Pero, cuanto más masa tiene un objeto, más difícil es incrementar su velocidad. Una cosa es empujar una ligera bicleta  y otra muy distinta, empujar a un pesado camión. Así, a medida que un muón se mueve más rápido, se hace cada vez más difícil aumentar aún más su velocidad. Cuando se desplaza a un 99,999 por ciento de la velocidad de la luz, la masa de un muón se multiplica por 224; a un 99,99999999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70 000. Como la masa del muón aumenta sin limiter a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Por supuesto, esto es imposible de alcanzar y, en consecuencia, ningún objeto puede (en nuestro unhiverso) moverse más rápido que la luz (llegaría a tener una masa infinita) que es el limite de velocidad que podemos alcanzar y también, el limite para poder transmitir información.
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La velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo. Podría rodear la Tierra casi 7 veces cada segundo. Es una barrera, un límite en el Universo. Nada puede viajar a más velocidad. Además de ser insuperable, la velocidad de la luz parece ser uno de los fundamentos sobre los que se ha construido nuestro Universo.
Resultado de imagen de El Tiempo transcurre más lento para los viajeros a la velocidad de la luz
Desde nuestra nave en reposo relativo vemos cómo la luz recorre más distancia entre los espejos en la nave en movimiento que en la nuestra. El Tiempo transcurre más lento para nave viajera a velocidad relativista.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c×c, es decir: 3×1010 × 3×1010, ó 9×1020. Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×1020 ergios de energía.

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El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2 × 1010 (22 millones) de kilocalorías.  Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.

O digámoslo de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia, bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.

Claro que la luz, también es mucho más que todo eso y es una manisfestación electromagnetica como el resto de las radiaciones. A medida que la luz va desde una galaxia a otra más distante, esa luz se extiende como lo hace el espacio y eso hace que la luz, cuya longitud de onda es intrínsecamente corta, se convierta gradualmente en luz roja de longitud de onda más larga. Esa es la causa del desplazamiento hacia el rojo de los espectros de luz de las galaxias distantes.

¿Cómo se convierte el  “desplazamiento hacia el rojo” en una manera para medir distancias en el Universo? Todo se debe a un sorprendente descubrimiento realizado en 1926 en el observatorio del monte Wilson, cerca de Los Ángeles. Allí Edwin Hubble descubrió que el Universo se está expandiendo. Fue un hallazgo increíble, pues nadie se esperaba algo así. Al haber  “desplazamientos hacia el rojo” en todas direcciones, Hubble descubrió que todas las galaxias distantes del Universo se estaban separando entre sí, algo que hoy sabemos que está causado por la expansión del propio espacio.

                                                                         Efecto  Doppler

Vista desde la Tierra una galaxia no parece alejarse, pero sabemos que sí ocurre porque su luz en espectro aparece más desplazada hacia la zona del rojo de lo habitual para los elementos químicos que nos llegan de la misma. Una galaxia que se aleje a poca velocidad adquirirá un ligero tono rojizo, pero una galaxia que se aleje más rápidamente adquirirá un rojo más intenso, un mayor “desplazamiento hacia el rojo”. Pero Hubble también descubrió que las galaxias que se mueven a mayor velocidad, también son las que están más alejadas. Eso significa que cuanto mayor sea el  “desplazamiento hacia el rojo”, más lejos estará la galaxia.

Averiguando la velocidad de expansión del espacio y realizando los cálculos inversos, los cosmólogos han podido estimar la edad del Universo en unos 13700 millones de años. Así que lo más lejos que podemos observar en cualquier dirección es 13700 millones de años luz. La luz no ha podido viajar más. Es el denominado “Universo observable”. Una esfera de poco menos de 13700 millones de años luz en todas direcciones que contiene todo lo que podemos ver. No hay razón para considerar que el “Universo observable” abarque todo el tamaño del Universo. Podría ser mayor, pero eso es lo que podríamos ver dado el tiempo que la luz ha viajado.
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Un astrónomo situado en una galaxia del extremo del horizonte no puede ver ninguna de las galaxias situadas en el otro extremo de nuestro Universo. Pero puede ver galaxias situadas a unos 13.700 millones de años luz en la otra dirección y así sucesivamente. Por lo que respecta a los astrónomos de la Tierra, el límite de la velocidad de la luz los tiene atrapados. Si nos preguntáramos que está ocurriendo más allá de nuestro “Universo observable” tendríamos que afrontar el hecho de que la velocidad de la luz es realmente una barrera.

 

El GPS consta de una red de 24 satélites, que orbitan en la Tierra a una altura de 20000 km sobre la superficie. En cualquier momento, cualquier vehículo donde se halle instalado recibe la señal de al menos 4 satélites y compara la duración de las distancias a que se encuentran, a la velocidad de la luz, para calcular su ubicación exacta  en la superficie. Todo el sistema depende de relojes extraordinariamente precisos y cuando los ingenieros los diseñaron sabían que los satélites se moverían a casi 11300 km/h, una velocidad suficiente para ralentizar sus relojes una diminuta fracción de segundo. Los ingenieros incluyeron en el sistema todas las diferencias de tiempo relativistas y eso les ha conferido una precisión impresionante. Como los relojes de los satélites avanzan a unas velocidades diferentes que los relojes situados sobre la Tierra, sin estas correcciones relativistas la posición del vehículo sería errónea.

                                                             Sistema  GPS

La distorsión del tiempo es sólo una de las extrañas consecuencias de viajar con velocidades próximas a las de la luz. Imaginemos que  continuamos con la “bici” pedaleando a velocidades próximas a las de la luz, entonces el espacio comienza a hacer cosas extrañas para el ciclista y para la bicicleta. Un observador apreciaría que la longitud de la bicicleta disminuye en la dirección del movimiento, que se encoge en dicha dirección. Este efecto se conoce como  “contracción de la longitud” y junto con la  “dilatación del tiempo” son percibidos así por un observador inmóvil cuando ve algo que se mueve con velocidades próximas a la de la luz.

Pero también el ciclista que se mueve a esta velocidad experimenta los efectos relativistas y su visión del mundo cambia radicalmente conforme su velocidad se aproxima a la de la luz. Las formas de las cosas comienzan a distorsionarse, todo se curva formándose una especie de túnel y los colores se van deformando también. Los cambios de color se explican por el fenómeno físico denominado  “efecto Doppler”, mientras que la distorsión de la forma ocurre por un fenómeno óptico denominado “aberración”.
La velocidad de la luz tiene otras peculiaridades en el lento movimiento de nuestro mundo. Peculiaridades que sí percibimos muy bien. La velocidad de la luz es constante, pero únicamente en el vacío del espacio. Cuando la luz atraviesa otros medios como el vidrio o algún fluido se ralentiza considerablemente. Si no lo hiciese así los telescopios o la visión humana, por ejemplo, no funcionarían.

La luz viaja más lentamente a través del agua, por eso vemos que la luz se refracta, se curva y se ondula cuando estamos bajo el agua. La vida tal y como la conocemos sería muy diferente si la luz no se propagara a velocidades diferentes a través de materiales diferentes. No podríamos ver y nuestros ojos no funcionarían igual. En un universo donde la luz se moviese a igual velocidad a través de todos los materiales, sabríamos muy poco del mundo que nos rodeara, sólo veríamos vagas manchas de luz y oscuridad. Esto ocurriría porque nuestros ojos dependen de unas lentes biológicas, los cristalinos, para enfocar las imágenes en nuestras  retinas. Al igual que las lentes de cristal funcionan porque la luz se ralentiza cuando las atraviesan. Pero, ¿por qué ocurre eso?. Porque la luz es absorbida por los átomos de cristal que la vuelven a irradiar a continuación, de manera que existe un retardo. La luz golpea un átomo que vibra y entonces reenvía la luz, de ahí viene el retardo. Este retardo también hace que la luz se curve cuando encuentra un cristal en forma de lente. Si se curva de forma adecuada la luz puede ser enfocada, recogida y ampliada. Para los astrónomos nada puede ser más importante. Menos mal que la luz se ralentiza cuando pasa a través del cristal, porque esa es la razón de que poseamos telescopios. Los tenemos gracias a que la luz se curva cuando atraviesa el cristal, así podemos concentrar grandes cantidades de luz en un solo punto y eso nos permite contemplar las lejanas maravillas del Universo. La luz pasa a través de la lente del telescopio a 200000 km/s, 2/3 de su velocidad en el vacío.
Resultado de imagen de La velocidad de la luz---- muro impenetrable
            Tendremos que buscar otras fórmulas, otros caminos para viajar burlando el muro de c

Aún nos enfrentamos a la velocidad de la luz como un muro impenetrable. Una velocidad que según Einstein nunca podrá ser rebasada. Sin embargo la Historia está llena de imposibles que se hicieron realidad. Por ejemplo, ¿seremos capaces de alcanzar las estrellas en naves que viajen más rápidas que la velocidad de la luz? Y si es así, ¿cuándo?

Esa es la idea básica del concepto de  “Agujero de gusano”, plegar el espacio sobre sí mismo y tomar un atajo a través del Universo. Hoy, naturalmente, esta idea pertenece aún al ámbito de la ciencia ficción. ¿Pero que aspecto tendría una máquina de agujeros de gusano? Probablemente sería enorme y su equipamiento podría estar situado sobre un gran número de asteroides, dispuestos sobre una esfera gigantesca. Una gran batería de rayos láser concentraría una enorme cantidad de energía sobre un solo punto. Habría que alcanzar una temperatura increíble con el fin de abrir un agujero, una burbuja o puerta que quizás nos llevase a otra parte del  Universo.
                            Nave interestelar de ficción
       
Otra estrategia diferente que nos permitiría viajar por el espacio a mayor velocidad que la luz es el  “Impulso por deformación” que en la literatura de ciencia ficción también se denomina “motor de curvatura”. ¿Qué puede frenar o poner límites a nuestra imaginación.
En realidad, yo estaba hablando de que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa y de que, la velocidad de la luz produce extraños efectos para los objetos que tratan de sobrepasarlas, ?que digo? que tratan de acercarse a ella. Ya lo hemos visto más arriba con los muones que se transforman en otra cosa a medida que la velcoidad de la luz está más cerca de la que ellos llevan.
                                           Hay cuestiones que aún no podemos explicar
También aquí, en nuestro Sol, está presente la famosa ecuación de Einstein, por medio de lo que ella explica, es posible que las estrellas brillen en el cielo, que la Tierra tenga la luz y el calor necesarios para la vida y que las plantas puedan realizar su necesaria fotosíntesis.
emilio silvera

¡El universo! ¡La física!

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Resultado de imagen de Inmensas formaciones del UniversoResultado de imagen de Inmensas formaciones del UniversoImagen relacionada

Cuando me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, etc.

Pensemos por ejemplo que un átomo tiene aproximadamente 10-8 centímetros de diámetro. En los sólidos y líquidos ordinarios los átomos están muy juntos, casi en contacto mutuo. La densidad de los sólidos y líquidos ordinarios depende por tanto del tamaño exacto de los átomos, del grado de empaquetamiento y del peso de los distintos átomos.

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De los sólidos ordinarios, el menos denso es el hidrógeno solidificado, con una densidad de 0’076 gramos por cm3. El más denso es un metal raro, el osmio, con una densidad de 22’48 gramos/cm3.

Si los átomos fuesen bolas macizas e incompresibles, el osmio sería el material más denso posible, y un centímetro cúbico de materia jamás podría pesar ni un kilogramo, y mucho menos toneladas.

Pero los átomos no son macizos. El físico neozelandés experimentador por excelencia, Ernest Ruthertord, demostró en 1.909 que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío. La corteza exterior de los átomos contiene sólo electrones ligerísimos, mientras que el 99’9% de la masa del átomo está concentrada en una estructura diminuta situada en el centro: el núcleo atómico.

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El núcleo atómico tiene un diámetro de unos 10-15 cm. (aproximadamente 1/100.000 del propio átomo). Si los átomos de una esfera de materia se pudieran estrujar hasta el punto de desplazar todos los electrones y dejar a los núcleos atómicos en contacto mutuo, el diámetro de la esfera disminuiría hasta un nivel de 1/100.000 de su tamaño original.

De manera análoga, si se pudiera comprimir la Tierra hasta dejarla reducida a un balón de núcleos atómicos, toda su materia quedaría reducida a una esfera de unos 130 metros de diámetro. En esas mismas condiciones, el Sol mediría 13’7 km. de diámetro en lugar de los 1.392.530 km. que realmente mide. Y si pudiéramos convertir toda la materia conocida del universo en núcleos atómicos en contacto, obtendríamos una esfera de sólo algunos cientos de miles de km. de diámetro, que cabría cómodamente dentro del cinturón de asteroides del Sistema Solar.

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El calor y la presión que reinan en el centro de las estrellas rompen la estructura atómica y permiten que los núcleos atómicos empiecen a empaquetarse unos junto a otros. Las densidades en el centro del Sol son mucho más altas que la del osmio, pero como los núcleos atómicos se mueven de un lado a otros sin impedimento alguno, el material sigue siendo un gas.  Hay estrellas que se componen casi por entero de tales átomos destrozados.  La compañera de la estrella Sirio es una “enana blanca” no mayor que el planeta Urano, y sin embargo tiene una masa parecida a la del Sol.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. Ya hemos dicho antes que todos los protones tienen carga eléctrica positiva y se repelen entre sí, de modo que en un lugar dado no se pueden reunir más de un centenar de ellos. Los neutrones, por el contrario, no tienen carga eléctrica y en condiciones adecuadas pueden estar juntos y empaquetados un enorme número de ellos para formar una “estrella de neutrones”. Los púlsares, según se cree, son estrellas de neutrones en rápida rotación.

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Estas estrellas se forman cuando las estrellas de 2 – 3 masas solares, agotado el combustible nuclear, no pueden continuar fusionando el hidrógeno en helio, el helio en oxígeno, el oxigeno en carbono, etc, y explotan en supernovas. Las capas exteriores se volatilizan y son expulsados al espacio; el resto de la estrella (su mayor parte), al quedar a merced de la fuerza gravitatoria, es literalmente aplastada bajo su propio peso hasta tal punto que los electrones se funden con los protones y se forman neutrones que se comprimen de manera increíble hasta que se degeneran y emiten una fuerza que contrarresta la gravedad, quedándose estabilizada como estrella de neutrones.

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Si el Sol se convirtiera en una estrella de neutrones, toda su masa quedaría concentrada en una pelota cuyo diámetro sería de 1/100.000 del actual, y su volumen (1/100.000)3, o lo que es lo mismo 1/1.000.000.000.000.000 (una milmillonésima) del actual. Su densidad sería, por tanto, 1.000.000.000.000.000 (mil billones) de veces superior a la que tiene ahora.

La densidad global del Sol hoy día es de 1’4 gramos/cm3. Una estrella de neutrones a partir del Sol tendría una densidad que se reflejaría mediante 1.400.000.000.000.000 gramos por cm3. Es decir, un centímetro cúbico de una estrella de neutrones puede llegar a pesar 1.400.000.000 (mil cuatrocientos millones de toneladas). ¡Qué barbaridad!

Objetos como estos pueblan el universo, e incluso más sorprendentes todavía, como es el caso de los agujeros negros explicado en páginas anteriores de este mismo trabajo.

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Cuando hablamos de las cosas del universo estamos hablando de cosas muy grandes. Cualquiera se podría preguntar, por ejemplo: ¿hasta cuándo podrá mantener el Sol la vida en la Tierra?

Está claro que podrá hacerlo mientras radie energía y nos envíe luz y calor que la haga posible tal como la conocemos.

Como ya explicamos antes, la radiación del Sol proviene de la fusión del hidrógeno en helio. Para producir la radiación vertida por el sol se necesita una cantidad ingente de fusión: cada segundo tienen que fusionarse 654.600.000 toneladas de hidrógeno en 650.000.000 toneladas de helio  (las 4.600.000 toneladas restantes se convierten en energía de radiación y las pierde el Sol para siempre. La ínfima porción de esta energía que incide sobre la Tierra basta para mantener toda la vida en nuestro planeta).

Resultado de imagen de La Fusión del SolResultado de imagen de La Fusión del Sol

Nadie diría que con este consumo tan alto de hidrógeno por segundo, el Sol pudiera durar mucho tiempo, pero es que ese cálculo no tiene en cuenta el enorme tamaño del Sol. Su masa totaliza 2.200.000.000.000.000. 000.000.000.000 (más de dos mil cuatrillones) de toneladas. Un 53% de esta masa es hidrógeno, lo cual significa que el Sol contiene en la actualidad una cantidad de 1.166.000.000.000.000.000.0000.0000.000 toneladas.

Para completar datos diré que el resto de la masa del Sol es casi todo helio. Menos del 0’1 por 100 de su masa está constituido por átomos más complicados que el helio. El helio es más compacto que el hidrógeno. En condiciones idénticas, un número dado de átomos de helio tiene una masa cuatro veces mayor el mismo número de átomos de hidrógeno. O dicho de otra manera: una masa dada de helio ocupa menos espacio que la misma masa de hidrógeno. En función del volumen –el espacio ocupado–, el Sol es hidrógeno en un 80 por ciento.

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El Proceso de Fusión del Hidrógeno. En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. … En realidad existen electrones, neutrinos y fotones involucrados en esta historia que hacen posible la fusión de Hidrógeno hacia helio .

Si suponemos que el Sol fue en origen todo hidrógeno, que siempre ha convertido hidrógeno en helio al ritmo dicho de 654 millones de toneladas  por segundo y que lo seguirá haciendo hasta el final, se calcula que ha estado radiando desde hace unos 4.000 millones de años y que seguirá haciéndolo durante otros cinco mil millones de años más.

Pero las cosas no son tan simples. El Sol es una estrella de segunda generación, constituida a partir de gas y polvo cósmico desperdigado por estrellas que se habían quemado y explotado miles de millones de años atrás.  Así pues, la materia prima del Sol contenía ya mucho helio desde el principio, lo que nos lleva a pensar que el final puede estar algo más cercano.

Por otra parte, el Sol no continuará radiando exactamente al mismo ritmo que ahora. El hidrógeno y el helio no están perfectamente entremezclados. El helio está concentrado en el núcleo central y la reacción de fusión se produce en la superficie del núcleo.

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A medida que el Sol siga radiando, irá adquiriendo una masa cada vez mayor ese núcleo de helio y la temperatura en el centro aumentará. En última instancia, la temperatura sube lo suficiente como para transformar los átomos de helio en átomos más complicados. Hasta entonces el Sol radiará más o menos como ahora, pero una vez que comience la fusión del helio, empezará a expandirse y a convertirse poco a poco en una gigante roja. El calor se hará insoportable en la Tierra, los océanos se evaporarán y el planeta dejará de albergar vida en la forma que la conocemos.

La esfera del Sol, antes de explotar para convertirse en una enana blanca, aumentará engullendo a Mercurio y a Venus y quedará cerca del planeta Tierra, que para entonces será un planeta yermo.

Los astrónomos estiman que el Sol entrará en esta nueva fase en unos 5 ó 6 mil millones de años. Así que el tiempo que nos queda por delante es como para no alarmarse todavía. Sin embargo, el no pensar en ello… no parece conveniente.

Espero que al lector de este trabajo, encargado por la Asociación Cultural “Amigos de la Física 137, e/hc”, les esté entreteniendo y sobre todo interesando los temas que aquí hemos tratado, siempre con las miras puestas en difundir el conocimiento científico de temas de la naturaleza como la astronomía y la física. Tratamos de elegir temas de interés y aquellos que han llamado la atención del público en general, explicándolos y respondiendo a preguntas que seguramente les gustaría conocer, tales como: ¿por qué la Luna muestra siempre la misma cara hacia la Tierra?

La atracción gravitatoria de la Luna sobre la Tierra hace subir el nivel de los océanos a ambos lados de nuestro planeta y crea así dos abultamientos. A medida que la Tierra gira de oeste a este, estos dos bultos – de los cuales uno mira hacia la Luna y el otro en dirección contraria – se desplazan de este a oeste alrededor de la Tierra.

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Al efectuar este desplazamiento, los dos bultos rozan contra el fondo de los mares poco profundos, como el de Bering o el de Irlanda. Tal rozamiento convierte energía de rotación en calor, y este consumo de la energía de rotación terrestre hace que el movimiento de rotación de la Tierra alrededor de su eje vaya disminuyendo poco a poco. Las mareas actúan como freno sobre la rotación de la Tierra, y como consecuencia de ello, los días terrestres se van alargando un segundo cada mil años.

Pero no es sólo el agua del océano lo que sube de nivel en respuesta a la gravedad lunar. La corteza sólida de la Tierra también acusa el efecto, aunque en medida menos notable. El resultado son dos pequeños abultamientos rocosos que van girando alrededor de la Tierra, el uno mirando hacia la Luna y el otro en la cara opuesta de nuestro planeta. Durante ese desplazamiento, el rozamiento de una capa rocosa contra otra va minando también la energía de rotación terrestre. (Los bultos, claro está, no se mueven físicamente alrededor del planeta, sino que a medida que el planeta gira, remiten en un lugar y se forman en otro, según qué porciones de la superficie pasen por debajo de la Luna y sean atraídas por su fuerza de gravedad).

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La Luna no tiene mares ni mareas en el sentido corriente. Sin embargo, la corteza sólida de la luna acusa la fuerte atracción gravitacional de la Tierra, y no hay que olvidar que ésta es 80 veces más grande que la Luna. El abultamiento provocado en la superficie lunar es mucho mayor que el de la superficie terrestre. Por tanto, si la Luna rotase en un periodo de 24 horas, estaría sometida a un rozamiento muchísimo mayor que la Tierra. Además, como nuestro satélite tiene una masa mucho menor que la Tierra, su energía total de rotación sería, ya de entrada, para periodos de rotación iguales, mucho menor.

Así pues, la Luna, con una reserva inicial de energía muy pequeña, socavada rápidamente por los grandes bultos provocados por la Tierra, tuvo que sufrir una disminución relativamente rápida de su periodo de rotación.  Hace seguramente muchos millones de años debió de decelerarse hasta el punto de que el día lunar se igualó con el mes lunar. De ahí en adelante, la Luna siempre mostraría la misma cara hacia el planeta Tierra.

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Esto, a su vez, congela los abultamientos en un aposición fija. Unos de ellos miran hacia la Tierra desde el centro mismo de la cara lunar que nosotros vemos, mientras que el otro está apuntando en dirección contraria desde el centro mismo de la cara lunar que no podemos ver. Puesto que las dos caras no cambian de posición a medida que la Luna gira alrededor de la Tierra, los bultos no experimentan ningún nuevo cambio ni tampoco se produce rozamiento alguno que altere el periodo de rotación del satélite. La luna continuará mostrándonos la misma cara indefinidamente; lo cual, como veis, no es ninguna coincidencia, sino la consecuencia inevitable de la gravitación y del rozamiento.

La Luna es un caso relativamente simple. En ciertas condiciones, el rozamiento debido a las mareas puede dar lugar a condiciones de estabilidad más complicadas.

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Durante unos ochenta años, por ejemplo, se pensó que Mercurio (el planeta más cercan al Sol y el más afectado por la fuerza gravitatoria solar) ofrecía siempre la misma cara al Sol, por el mismo motivo que la Luna ofrece siempre la misma cara a la Tierra. Pero se ha comprobado que, en el caso de este planeta, los efectos del rozamiento producen un periodo estable de rotación de 58 días, que es justamente dos tercios de los 88 días que constituyen el período de revolución de Mercurio alrededor del Sol.

Hay tantas cosas que aprender que el corto tiempo que se nos permite estar aquí es totalmente insuficiente para conocer todo lo que nos gustaría. ¿Hay algo más penoso que la ignorancia?

Continuemos pues aprendiendo cosas nuevas.

En la página 283 dejé una reseña de lo que se entiende por entropía y así sabemos que la energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando    dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

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El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial del que mana en lo alto de la montaña y menos energía en el llano en la desembocadura, donde fluye suave y tranquila. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar (si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad).

Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.

Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquella.

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El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.

Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si colocamos un objeto caliente junto a otro frío, el calor fluye de manera que se transmite del caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas de ambos cuerpos. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualen y la energía gravitatoria quede distribuida uniformemente.

Clausius afirmó, por tanto, que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O dicho de otra manera: que la entropía aumenta con el tiempo.

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El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de “termodinámica”, que en griego significa “movimiento de calor”.

Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión de que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina “primer principio de la termodinámica”.

La idea sugerida por Clausius de que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y que denomina “segundo principio de la termodinámica.”

Según este segundo principio, la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van despareciendo. Cuando todas las diferencias en la concentración de energía se han igualado por completo, no se puede extraer más trabajo, ni pueden producirse cambios.

¿Está degradándose el universo?

emilio silvera

Recopilado de distintas fuentes, especialmente de Isaac ASimov

¿Los Agujeros Negros se evaporan?

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

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ABC- NOTICIAS DE CIENCIA

S. Hawking tenía razón: Los agujeros negros se evaporan

 

Logran, por primera vez, observar en laboratorio la teoría que el físico británico formuló en 1974

 

Un equipo de investigadores del Instituto Technion de Tecnología de Israel, dirigidos por el físico Jeff Steinhauer, acaba de publicar en Nature un artículo en el que se demuestra, por primera vez, la veracidad de la predicción que Stephen Hawking hizo en 1974: que los agujeros negros se evaporan a lo largo del tiempo hasta desaparecer por completo.

Según la teoría del genial físico británico, en efecto, los agujeros negros no son, a pesar de su sugestivo nombre, totalmente negros, sino que emiten partículas, una tenue radiación que, en su honor, fue bautizada como radiación Hawking y que extrae lentamente energía del agujero negro hasta dejarlo exhausto. Casi desde el principio, la idea de Hawking fue dada por buena por la inmensa mayoría de los científicos, aunque por el momento ha resultado imposible de probar. Algo que sí han conseguido Jeff Steinhauer y sus colegas.

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“Un agujero negro emite radiación como un cuerpo caliente a la temperatura de Hawking. Si su valor es muy alto, la radiación de Hawking consiste en partículas de todo tipo (fotones, gravitones, bosones vectoriales, bosones de Higgs, leptones y hadrones), pero si su valor es “bajo” solo emite fotones y gravitones.”

En un experimento de laboratorio, en efecto, este equipo de físicos ha logrado “ver” a la radiación Hawking en acción, cosa que nuestra tecnología no permite aún hacer directamente en el espacio, con agujeros negros reales. Para conseguirlo, los investigadores “fabricaron” un agujero negro virtual utilizando ondas de sonido y algunas de las formas de materia más extrañas y frías del Universo.

La radiación Hawking, en acción

 

Dibujo20130204 black holes - hawking radiation - usual particle-antiparticle image

“La imagen de un par partícula-antipartícula en el entorno del agujero negro fue introducida por Hawking, pero no se puede olvidar que la longitud de onda más probable de estas partículas es comparable al radio de Schwarschild. Por tanto, no tiene sentido imaginar las partículas como “pequeñas bolitas” cerca den un horizonte de sucesos enorme (como se muestra en esta figura). Las partículas tienen una longitud de onda λ tan grande como el agujero negro y se separan una distancia similar a λ, evitando aniquilarse entresí gracias a las fuerzas de marea gravitatorias.”

 

 

Los agujeros negros ejercen una gravedad tan fuerte que incluso los fotones (las partículas de las que está hecha la luz) no consiguen escapar cuando son capturados. Por otro lado, la Mecánica cuántica nos dice que lo que nosotros conocemos como “vacío espacial” es, en realidad, un auténtico hervidero de “partículas virtuales” que entran y salen de la existencia en pares de materia y antimateria.

Normalmente, y casi nada más aparecer, estas parejas de partículas virtuales se aniquilan unas a otras. Pero en la frontera de un agujero negro, donde la gravedad es extrema, puede suceder que esos pares de partículas se separen, una absorbida por el agujero, la otra lanzada a toda velocidad al espacio. La partícula que es absorbida tiene energía negativa, lo que reduce tanto la energía como la masa del agujero. Por eso, cuantas más de estas partículas absorba el agujero negro, más energía perderá, hasta el punto de llegar a evaporarse por completo. Las partículas “fugitivas”, por su parte, son lo que conocemos como radiación Hawking.

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En un agujero negro real, la radiación Hawking es tan débil que nadie ha conseguido medirla. Por eso, desde hace años se buscaba la forma de observarla en laboratorio. Y ahora, Steinhauer y su equipo lo han conseguido.

En su experimento, los investigadores utilizaron lo que se conoce como “condensado Bose-Einstein, una forma de gas extremadamente frío, para imitar el horizonte de sucesos de un agujero negro, la frontera invisible que, una vez atravesada, no permite que nada pueda regresar. En medio del gas, colocaron después un obstáculo, una especie de “acantilado” que obligaba al gas a caer en forma de cascada, convirtiendo así una cantidad suficiente de energía potencial en energía cinética como para que el gas fluyera a una velocidad mayor que la del sonido.

Vibraciones cristalinas de fonones

Después, y en lugar de pares de partículas materia-antimateria, los físicos utilizaron parejas de fonones, u ondas de sonido cuántico, inmersas en el flujo de gas. El fonón que se quedaba en el lado “lento” conseguía viajar en contra del flujo de gas, alejándose de la cascada, mientras que su pareja, el fonón del lado “rápido”, quedaba inevitablemente atrapado por la cascada, el “agujero negro” de gas a velocidad supersónica.

Según ha explicado el propio Steinhauer a la revista Live Science, “es como si trataras de ir contra una corriente que fluye más rápido de lo que puedes nadar. Sentirías que estás avanzando, pero en realidad vas hacia atrás. Y eso es análogo a lo que le sucede a un fotón que intenta salir de un agujero negro, pero al que la gravedad hace ir en dirección contraria”.

Stephen Hawking predijo que la radiación de las partículas emitidas por el agujero negro permanecería en un espectro continuo de longitudes de onda y energías. Y dijo también que sería posible describir el fenómeno con una única temperatura, que solo dependía de la cantidad de masa que tuviera el agujero negro. En su experimento, Steinhauer y su equipo lograron confirmar las dos predicciones en el interior del peculiar agujero negro sónico de su laboratorio.