La Naturaleza hace cosas que son difíciles de explicar. Cómo se pueden formar estructuras que parecen hechas por el hombre y, sin embargo, es la obra de la Naturaleza la única causante de ellas. Tanto en nuestro mundo como repartidos por todas los rincones del Universo, se pueden encontrar fenómenos que, como el que arriba podemos contemplar, nos llenan de asombro.

Es una de las nebulosas más brillantes que existen Está situada a 76 años luz de la Tierra, y posee un diámetro aproximado de 24 años luz. El material que la conforma se va constituyendo en arabescas figuras formadas por el empuje de los vientos solares provenientes de jóvenes estrellas que radían en el ultravioleta ionizando el material interestelar circundante.

Sharpless 2-106, Sh2-106, S106 o más popularmente conocida como ángel de nieve cósmico, es una región de formación estelar bipolar cuya forma da la apariencia de un ángel celestial con sus “alas” desplegadas de aproximadamente 2 años luz de extensión. Se encuentra a unos 2 000 años-luz  de la Tierra, en un sector relativamente aislado de la Vía Láctea, en la región HII de la Constelación del Cisne.

Comparando las dos imágenes, aunque sean tan distintas y representan realidades tan opuestas, lo cierto es que uno se hace una idea de lo inmensamente rica que es la diversidad del Universo con todas las formas y objetos que contiene. Un simple paisaje de nuestro planeta y un quásar lejano y, sin embargo, todo lo que está presente en ambos lugares está hecho de la misma cosa, Quarks y Leptones que se conforman de manera distinta para dar resultados diferentes y diferentes propiedades que han partido de una fuente común.

La imagen  de arriba es otra representación artística de un Quásar, que visto desde tan lejos tiene una apariencia estelar, muy similar a una estrella común tomada en la lejanía. Sin embargo el análisis detallado y profundo nos delatan algunas peculiaridades que rodean a esta clase de objetos y que los define en su singularidad propia que los hace muy diferentes a las estrellas comunes al tener estructuras muy complejas. El descubrimiento de los quásares se debió a que son intensos emisores de radio ondas y también fuentes de rayos X, radiación ultravioleta, luz visible e infrarroja, es decir, la emisión de los cuásares recorre todo el espectro electromagnético.

     El Hubble por primera vez ha captado un Quásar expulsando materia a gran velocidad

Lo asombroso de los quásares está en una pregunta  que se hacen todos los astrónomos: ¿Cómo puede un objeto tan “pequeño” como un sistema solar producir la energía de cientos de miles de millones de estrellas? Y, sin embargo, el espacio que ocupan no tiene lugar para contener tántas estrellas como serían necesarias para emitir esa enorme energía. Lo cierto es que no se sabe si existe alguna fuerza desconocida para  la ciencia que pueda generar la energía de los quásares. Una fuerza incluso más poderosa que la nuclear que es la que genera la energía que irradian las estrellas.

El misterio fue desvelado a base de observaciones y cálculos y más comprobaciones: Los quásares eran, en realidad, enormes agujeros negros situados en el centro de las galaxias más lejanas del Universo que, habían tenido el tiempo suficiente para hacerse tan inmensamente grandes que, dominaban la galaxia que los contenían y eran una gran parte de ella. Otros postulan que son galaxias jovenes que tienen un agujero negro central. Lo cierto es que, saber, lo que se dice saber lo que son los quásares, nadie lo sabe con exactitud milimétrica y todos son aproximaciones y conjeturas más o menos acertadas como otros muchos misterios que rodean las cosas del Universo que no hemos llegado a comprender.

        Imagen de 3C273 recogida por el telescopio espacial Chandra

Fue en 1963 cuando M. Schmidt identificó por primera vez al quasar 3C 273 como el objeto más alejado entre todas las galaxias conocidas en ese entonces: los cálculos lo ubicaron a unos 2.000 millones de años-luz. Posteriormente, se comprobó que el corrimiento al rojo de todos los quásares es mayor que el de las galaxias conocidas; por lo tanto, se encuentran más distantes que cualquiera de ellas. Esta evidencia confirmaría que se trata de los objetos más lejanos del universo conocido.

Así, las luces brillantes de los cielos que parecían estrellas, pero que eran demasiado luminosas para serlo, comenzaron a ser conocidas como objetos casi-estrellas o, resumiento, quasares. La extraordinaria luminosidad de los quasares era sólo una de entre sus poco frecuentes propiedades. Todavía era más extraño el hecho de que esa enorme efusión de energía parecía proceder de una región del espacio notablemente pequeña, más pequeña, de hecho, que nuestro Sistema solar.

El Hubble descubre cuásares que actúan como lentes gravitacionales

Cuando profundizamos en las maravillas que el Universo contiene, cuando llegamos a comprender el por qué de los sucesos que podemos observar en el espacio profundo, cuando el estudio y la observación ilumina nuestras mentes y el inmenso resplandor del saber nos inunda, entonces, y sólo entonces, llegamos a comprender la materia, la energía, los objetos estelares y cosmológicos que pueblan el Cosmos, todo ello, se rige por una serie de normas que son inalterables: Las cuatro fuerzas fundamentales y las constantes universales que, no sólo hacen posible la existencia de Quásares lejanos alentados por la presencia de agujeros negros gigantes, sino que también, esas mismas leyes y normas, hacen posible la existencia de las estrellas y los mundos y, en ellos, de la vida y de la inteligencia que todo lo vigila y de todo quiere saber. El Universo es una burbuja multicolor de sorprendentes maravillas donde los ciclos se repiten y las formas nacen y mueren para volverLa Nebulosa del Homúnculo del sistema de La estrella Eta Carinae.

La simetría está presente por todas partes y, cada objeto, tiene la suya que siempre, está relacionada con la de otro de la misma especie. Hay simetrías que en física incluye todos los rasgos de un sistema físico que exhibe propiedades de la simetría – eso es, que bajo ciertas transformaciones, aspectos de esos sistemas son “incambiables”, de acuerdo a una observación particular. Una simetría de un sistema físico es un rasgo físico o matemático de un sistema que es preservado sobre cierto cambio.

En matemática,  una transformación es un operador aplicado a una función tal que bajo esa transformación, ciertas operaciones sean simplificadas. En ejemplo, en la aritmética cuando se busca un algoritmo de números, el proceso de búsqueda es reducido a la suma de los algoritmos de cada factor.

Por ejemplo, veamos la invariancia de escala: En un recipiente con agua a punto de hervor, las burbujas de vapor, nucleadas en el fondo del recipiente, crecen, se liberan, y fluctúan  hasta la superficie de donde se escapan para la atmósfera. A la temperatura de ebullición, el agua existe al mismo tiempo en dos fases distintas – líquido y gas – y a medida que las burbujas se forman las dos fases se separan en el espacio. Si cerramos el recipiente la temperatura de ebullición aumenta, como en una olla a presión. A medida que la presión aumenta, el sistema llega al punto crítico, donde las propiedades del líquido y del gas se vuelven idénticas. Por encima de esa temperatura, en el régimen supercrítico, dejan de existir dos fases distintas y existe apenas un fluido homogéneo.

Cerca del punto crítico, la materia fluctúa sin límites. Burbujas y gotas, unas tan pequeñas como unos cuantos átomos, otras tan grandes como el recipiente, aparecen y desaparecen, se unen y se separan. Exactamente en el punto crítico la escala de las mayores fluctuaciones divergen, pero el efecto de las fluctuaciones en escalas menores no es despreciable. La distribución de las fluctuaciones es invariable para transformaciones de escala.

De la figura se deduce que la teoría tiene una “simetría interna”: la figura no cambia cuando hacemos rotaciones en el plano definido por A y B. La invariancia es definida matemáticamente por transformaciones que dejan magnitudes sin cambio. Por ejemplo, la distancia entre dos puntos de un sólido que se mueve, pero no se deforma.

Simetrías locales y globales

Una simetría global es una simetría que sostiene todos los puntos en el tiempo-espacio bajo consideración, a diferencia de la simetría local que solo sostiene a un subconjunto de puntos.

La mayoría de las teorías físicas son descritas por lagrangianos (En física, un lagrangiano es una función matemática a partir del cual se pueden derivar la evolución temporal, las leyes de conservación y otras propiedades importantes de un sistema físico) que son invariantes bajo ciertas transformaciones, cuando las transformaciones son realizadas en diferentes puntos del espacio-tiempo y están relacionadas linealmente – ellas tienen simetría global.

Por ejemplo, en toda teoría cuántica la fase global de una función de onda es arbitraria y no representa algo físico. Consecuentemente, la teoría es invariante bajo a cambio global de fases (Agregando una constante a la fase de todas las funciones de onda, en todos lados); esto es una simetría global. En la electrodinámica quántica, la teoría es también invariante bajo un cambio local de fase, es decir, que se puede alterar la fase de todas las funciones de onda tal que la alteración sea diferente en cada punto del espacio-tiempo. Esto es una simetría local.

                    También se habla de ruptura de simetrías temporales en la física de partículas.

Los físicos creen también que están en el camino correcto porque, de algún modo que no pueden explicar, tienen la convicción de que son correctas, y las ideas de simetría son esenciales para esa intuición. Se presiente que es correcto que ningún lugar del Universo es especial comparado con cualquier otro lugar del Universo, así que los físicos tienen la confianza de que la simetría de traslación debería estar las simetrías de las leyes de la Naturaleza. Se presiente que es correcto que ningún movimiento a velocidad constante es especial comparado con cualquier otro. De modo que los físicos tienen confianza en que la relatividad especial, al abrazar plenamente la simetría entre todos los observadores con velocidad constante, es una parte esencial de las leyes de la Naturaleza.

Se dice que esta ecuación de Euler es la más bella conocida. Aunque son muchas las ecuaciones que podríamos traer aquí y que son de todos conocidas y han quedado como símbolos en la historia de las matemáticas, la de Euler, es posible que por su elegancia y simplicidad, le pueda ganar a las demás en belleza. Ahí, en ese sencillo conjunto, los números más significativos de las matemáticas se abrazan: o, 1, e, π, y la unidad imaginaria i .

Si se fijan en la fórmula, en ella aparecen los 5 números más importantes en la historia de las matemáticas. El 0 y el 1 que, entre otras aportaciones a esta disciplina, son famosos por ser elementos neutros y, por lo tanto, indispensables en las operaciones de suma y producto; los números π y e, posiblemente, los dos irracionales más famosos (junto con φ, la razón aúrea) que existen (y que nos permiten hacer el chiste aquel de que la parte más irracional de nuestro cuerpo es el pi-e); y la unidad imaginaria, i, cuyo valor es

Dirac nos hablaba de ecuaciones bellas. La estética es, evidentemente, subjetiva, y la afirmación de que los físicos buscan la belleza en sus teorías tiene sentido sólo si podemos definir la belleza. Afortunadamente, esto se puede , en cierta medida, pues la estética científica está iluminada por el sol central de la simetría.

             La Naturaleza nos la muestra por todas partes

La simetría es un concepto venerable y en modo alguno inescrutable y no podemos negar que tiene muchas implicaciones en la Ciencia, en las Artes y sobre todo, ¡en la Naturaleza! que de manera constante nos habla de ella. Miremos donde miremos…¡allí está!

El físico chino-norteamericano Chen Ning Yang ganó el Nóbel de Física por su en el desarrollo de una teoría de campos basada en la simetría y, aún afirmaba: “No comprendemos todavía el alcance del concepto de simetría”. Es lógico pensar que, si la Naturaleza emplea la simetría en sus obras, la razón debe estar implicada con la eficacia de los sistemas simétricos.

En griego, la palabra simetría significa “la misma medida” (syn significa “juntos”, como en sinfonía, una unión de sonidos, y metrón, “medición”); así su etimología nos informa que la simetría supone la repetición de una cantidad medible. Pero la simetría los griegos, también significaba la “la debida proporción”, lo que implicaba que la repetición involucrada debía ser armoniosa y placentera, como de hecho, resultan ser en las imágenes que arriba contemplamos. Así, la Naturaleza nos está indicando que una relación simétrica debe ser juzgada por un criterio estético superior.

                                           Humo simétrico

Muchos de nosotros, la mayoría, conocimos la simetría en sus manifestaciones geométricas de aquellas primeras clases en la Escuela Elemental, más tarde en el arte y, finalmente, la pudimos percibir en la Naturaleza, en el Universo y en nosotros mismos que, de alguna manera, somos de ese Universo de simetría.

Los planetas son esféricos y, por ejemplo, tienen simetría de rotación. Lo que quiere indicar es que poseen una característica -en caso, su perfil circular- que permanece invariante en la transformación producida cuando la Natuiraleza los hace rotar. Las esferas pueden Hacerse rotar en cualquier eje y en cualquier grado sin que cambie su perfil, lo cual hace que sea más simétrica.

La clave de la belleza está en la simetría

La simetría por rotación se encuentra en los pétalos de una flor o en los tentáculos de una medusa: aunque sus cuerpos roten, permanecen iguales. La simetría bilateral que hace que los lados derecho e izquierdo sean iguales y se presenta en casi todos los animales, incluido nosotros. Pero es uniendo estos aspectos se obtienen figuras realmente armoniosas. Si se trata de desplazamiento y rotación en un  mismo plano hablamos de una espiral, mientras que en el espacio sería una hélice, aunque ambas se encuentran por todas partes en la naturaleza.

Las simetrías se generan mediante las fuerzas que actúan sobre los cuerpos, descritas por leyes rigurosas e inequívocas, como una fórmula matemática y dependen de la existencia de fuerzas distintas que actúan en diversas  direcciones. Si éstas permanecen en equilibrio, no hay preferencia alguna hacia arriba o abajo, a la derecha o a la izquierda, y los cuerpos tenderán a ser perfectamente esféricos, como suele ocurrir en el caso de virus y bacterias, las estrellas y los mundos… las galaxias. Además, cuando el aspecto no es el de una esfera perfecta, la Naturaleza hará todo lo posible para acercarse a esta.

La simetría también están presentes  en  nuestros cerebros

¿Sería posible que la simetría material tuviera un paralelismo en la abstracción intelectual que son las leyes físicas? luego hace falta un esfuerzo mental considerable para pasar de lo material a lo intelectual, pero cuando se profundiza en ellla, la conexión aparece. En la naturaleza existen muchas cosas que nos pueden llevar a pensar en lo complejo que puede llegar a resultar entender cosas que, a primera vista, parecían sencillas.

Me explico:

Fijémonos, por ejemplo, en una Flor de Girasol y en las matemáticas que sus semillas conllevan. Forman una serie de números en la que cifra es la suma de las dos precedentes (por ejemplo 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233…) se denomina, en términos matemáticos, sucesión de Fibonacci, una ley que se cumple incluso en el mundo vegetal, como hemos podido comprobar en las semillas del girasol, dispuestas en espiral y que respetan ésta fórmula. La podemos ver por todas partes.

                     Lo mismo ocurre con otros ejemplares de la diversidad del mundo de las plantas

En el mundo inorgánico las leyes de la cristalización del agua congelada, determinadas por las fuerzas que actúan entre las moléculas, hacen que los cristales adopten formas que son infinitas y varían con respecto a un tema común: la estrella de seis puntas. Sin embargo, los planetas son esféricos porque han nacido en la primordial que rodeaba al Sol, atrayendo materia indiferentemente de todas partes.

Claro que, en la Naturaleza, nada ocurre porque sí, todo tiene su por qué, y, todo lo que en ella podemos contemplar posee una funcionalidad que está directamente relacionada con su mecánica, con el medio en el que habita, con lo que el Universo espera que haga en su medio y, para ello, dota a figura con aquellos “trajes” que mejor les permita realizar aquello para lo que están destinados.

Vamos a generalizar un paso más el concepto de simetría, planteándonos si es posible que una ley física se cumpla en cualquier lugar. ¿En cualquier lugar… de dónde?, ¿de nuestra ciudad?, ¿de nuestro planeta? No: del universo. Una ley que fuera válida en cualquier lugar del universo sería una ley simétrica respecto al espacio. Se cumpliría dondequiera que se hiciese un experimento para comprobarla.

Fíjense que nuestra idea de simetría se va haciendo más compleja y más profunda. no nos detenemos en ver si la forma material de un objeto es simétrica, ni de si la escritura de una fórmula matemática es simétrica. Ahora nos preguntamos si una ley física es válida en todo el Universo.

La otra simetría interesante para una ley física es la que se refiere al tiempo. Cierta ley física se cumple ; ¿antes también?, ¿se cumplirá pasado algún tiempo? Una ley que fuera cierta en cualquier instante de la historia del universo sería una ley simétrica respecto al tiempo.

Lo que nos preguntamos es: ¿son simétricas o no las leyes de la física?

Hasta donde alcanzan nuestras medidas, las leyes físicas (y, por tanto, la interacción gravitatoria) sí son simétricas respecto al espacio y respecto al tiempo. En cualquier lugar y momento temporal del universo, la Naturaleza se comporta igual que aquí y ahora en lo que se refiere a estas leyes.

Esta simetría es un arma muy poderosa para investigar hacia el pasado y hacia el futuro, ya que nos permite suponer (y, en la medida en que confiemos en la seguridad de la simetría, conocer) locales donde jamás podremos llegar por la distancia espacial y temporal que nos separa de muchas partes del universo. Así, por ejemplo, gracias a esta simetría, podemos calcular que el Sol lleva 5.000 millones de años produciendo energía y que le quedan, probablemente, otros 5.000 millones hasta que consuma toda su masa. Esto lo podemos aventurar suponiendo que en ese enorme tramo de 5.000 + 5.000 = 10.000 millones de años las leyes físicas que determinan los procesos mediante los cuales el Sol consume su propia masa como combustible (las reacciones nucleares que le permiten producir energía), fueron, son y serán las mismas aquí en el Brazo de Orión donde nos encontramos como en los arrabales de la Galaxia Andrómeda donde luce una estrella como nuestro Sol que, también envía luz y calor a sus planetas circundantes, y, por muy lejos que podamos mirar, siempre veremos lo mismo.

       Por tanto, en cierto modo, la simetría se vuelve tan importante o más que la propia ley física.

                                                Hasta los tatuajes de esta comunidad tiene simetrías

La regularidad de las formas de la Naturaleza se refleja incluso en la cultura humana, que desde siempre intenta inspirarse en el mundo natural conformar su propio mundo. Existen hélices en las escaleras de palacios, castillos y minaretes y en las decoraciones de esculturas y columnas. Las espirales abundan en los vasos, en los bajorrelieves, en los cuadros,  en las esculturas en los collares egipcios, griegos, celtas, precolombinos e hindúes e, incluso, en los tatuajes con los que los maoríes neozelandeses se decoran el rostro.

¿Tenía en mente Leonardo la proporción áurea a la hora de realizar su obra maestra? Afirmarlo resultaría aventurado. Menos polémico es aseverar que el genio florentino concedía gran importancia a la relación entre la estética y la matemática. Dejaremos la cuestión en el aire por el momento, no sin antes mencionar que Leonardo realizó las ilustraciones de una obra de contenido estrictamente matemático, escrita por su buen amigo Luca Pacioli, llamada “De divina proportione”, es decir, “La divina proporción”.

Fuente de esta imagren y texto: Fernando Corbalán

 

La búsqueda de la perfección geométrica y de las propiedades matemáticas pueden ser una guía importante en el estudio científico del mundo. Paul Dirac, una de los padres de la moderna mecánica cuántica, solía decir que “si una teoría es bella desde el punto de vista matemático, muy probablemente es también verdadera”.

A todo esto, no debemos olvidar que todo, sin excepción, en nuestro Universo, está sometido a la Entropía que nos trae el paso inexorable de eso que llamamos “Tiempo”, y que, convierte perfectas simetrías de joven belleza, en deteriorados objetos o entidades que, nos viene a recordar que nada es perpetuo, que todo pasa y se transforma. Claro que, de alguna manera, todo vuelve a resurgir.

Un dolor que llevo dentro de mí es el no poder contemplar la verdadera belleza que  estándo presente en los seres vivos inteligentes, en la mayoría de los casos, se nos queda oculta a nuestra percepción, toda vez que esa clase de belleza, que no podemos ver pero sí percibir, sólo la podemos captar con el trato y la convivencia y, verdaderamente, tengo que admitir que, algunas bellezas que he tenido la suerte de poder “ver con los ojos del espíritu”, llegan a ser segadoras, deslumbrantes, su explendor es muy superior al de la estrella más brillante del cielo, y,  seguramente (estoy seguro) como a muchos de ustedes les pasa, tengo la suerte de tenerla junto a mí desde hace muchos años. y, si pienso en ello en profundidad y detenimiento, no tengo más remedio que concluir que es ese brillo y esplendor el que me da la fuerza para seguir cada dia en la dura lucha que nos ha participar.

¡Sí que es importante la Belleza! Dirac tenía toda la razón. Y, no digamos las Simetrías que indican con el dedo de la Naturaleza el camino a seguir a muchos físicos que quieren desvelar sus secretos.

Emilio Silvera V.

Cuando los físicos empezaron a apreciar el papel de las constantes en el dominio cuántico y explotar la nueva teoría de la gravedad de Einstein para describir el universo en su conjunto, las circunstancias eran las adecuadas para que alguien tratara de casarlas.

Así entró en escena Arthur Stanley Eddington: un extraordinario científico que había sido el primero en descubrir cómo se alimentaban las estrellas a partir de reacciones nucleares. También  hizo importantes contribuciones a nuestra comprensión de las galaxias, escribió la primera exposición sistemática de la teoría de la relatividad general de Einstein y fue el responsable de la expedición que durante un eclipse de Sol, pudo confirmar con certeza la predicción de la relatividad general que debería desviar la luz estelar que venía hacia la Tierra en aproximadamente 1’75 segundos de arco cuando pasaba cerca de la superficie solar, cuyo espacio estaría curvado debido a la gravedad generada por la masa del Sol. En aquella expedición, el equipo de Eddington hizo una exitosa medición del fenómeno desde la isla Príncipe, que confirmó que Einstein tenía razón y que su teoría predecía de manera exacta la medida de curvatura del espacio en función de la masa del objeto estelar que genera la gravitación distorsionando el espaciotiempo a su alrededor.

                        Eddintong

Entre los números que Eddington consideraba de importancia primordial estaba al que ahora conocemos como número de Eddington, que es igual al número de protones en el universo visible. Eddington calculó (a mano) este número con enorme precisión en un crucero trasatlántico, sentado en cubierta, con libreta y lápiz en la mano, tras calcular concienzudamente durante un tiempo, finalizó escribiendo:

“Creo que el Universo hay:

 

15.747.724.136.275.002.577.605.653.961.181.555.468.044.717.914.527.116.709.366.231.425.076.185.631.031.296

 

de protones y el mismo número de electrones”.

 

 

Este número enorme, normalmente escrito N_Edd, es aproximadamente igual a 10⁸⁰.  Lo que atrajo la atención de Eddington hacia él era el hecho de que debe ser un número entero, y por eso en principio puede ser calculado exactamente. A Eddington siempre le llamó la atención esos números invariantes que llamaron constantes de la Naturaleza y que tenían que ver con el electromagnetismo, la gravedad, la velocidad de la luz y otros fenómenos naturales invariantes. Por ejemplo:

La constante de estructura fina de  (símbolo ) es la constante fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

¿Por qué hay una relación entre la constante de estructura fina (σ) y las estrellas y las Galaxias? Estos números de las constantes, poseen un enigma fundamental en ellos mismos: No sabemos porqué tienen esos valores. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal y la conocemos con suma exactitud: c = 299.792.458 m/s. Pero no tenemos idea de porqué tiene ese valor y no otro. Tampoco sabemos porqué la constante de gravitación universal es G = 6,67259*10^-11 N(m/kg)^2 ni porqué cualquier otra constante física universal tiene el valor que tiene.

 

Le dicen “alfa” (α) o Constante de Estructura Fina, y tiene la particularidad de ser adimensional, es decir, no tiene unidades. Es solo un número:

Algo parecido a 1/137…

La constante de estructura fina y la expresión que la define y el valor recomendado  es:

.

donde:

• es la carga elemental.
  
• es la constante racionalizada o reducida de Planck,
  
• es la velocidad de la luz en el vacío, y
• es la permitivdad del vacío.

Durante la década de 1.920, cuando Eddington empezó su búsqueda para explicar las constantes de la naturaleza, no se conocían bien las fuerzas débil y fuerte. Las únicas constantes dimensionales de la física que sí se conocían e interpretaban con confianza eran las que definían la gravedad y las fuerzas electromagnéticas. Eddington las dispuso en tres puros números adimensionales. Utilizando los valores experimentales de la época, tomó la razón entre las masas del protón y del electrón:

m_pr/m_e ≈ 18⁴⁰

La inversa de la constante de estructura fina

2πhc/e²  ≈ 137

Y la razón entre la fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética entre un electrón y un protón,

e²/Gm_pr m_e ≈ 10⁴⁰

A estas añadió su número cosmológico, N_Edd ≈ 10⁸⁰. A estos cuatro números los llamó “las constantes últimas”, y la explicación de sus valores era el mayor desafío de la ciencia teórica:

 “¿Son estas cuatro constantes irreducibles, o una unificación posterior de la física que pueda demostrar que una o todas ellas podrían ser prescindibles? ¿Podrían haber sido diferentes de lo que realmente son?…  Surge la pregunta de si las razones anteriores pueden ser asignadas arbitrariamente o si son inevitables.  En el primer caso, sólo podemos aprender sus valores por medida; en el segundo caso es posible encontrarlos por la teoría…  Creo que ahora domina ampliamente la opinión de que las (cuatro anteriores) constantes… no son arbitrarias, sino que finalmente se les encontrará una explicación teórica; aunque también he oído expresar lo contrario.”

 

 

      Medida una y mil veces, α parece que no cambia a pesar de todo

Siguiendo con su especulación Eddington pensaba que el número de constantes inexplicadas era un indicio útil del hueco que había que cerrar antes de que se descubriese una teoría verdaderamente unificada de todas las fuerzas de la naturaleza.  En cuanto a si esta teoría final contenía una constante o ninguna, tendríamos que esperar y ver:

 “Nuestro conocimiento actual de 4 constantes en lugar de 1 indica meramente la cantidad de unificación de la teoría que aún queda por conseguir. Quizá resulte que la constante que permanezca no sea arbitraria, pero de eso no tengo conocimiento.”

Eddington, como Max Planck, Einstein y Galileo, y Newton antes que ellos, era simplemente un adelantado a su tiempo; comprendía y veía cosas que sus coetáneos no podían percibir.

Hay una anécdota que se cuenta sobre esto y que ilustra la dificultad de muchos para reconciliar el trabajo de Eddington sobre las constantes fundamentales con sus monumentales contribuciones a la relatividad general y la astrofísica. La historia la contaba Sam Goudsmit referente a él mismo y al físico holandés Kramers:

                          Samuel Abraham Goudsmit, George Uhlenbeck y Hendrik Kramers

“El gran Arthur Eddington dio una conferencia sobre su derivación de la constante de estructura fina a partir de una teoría fundamental. Goudsmit y Kramers estaban entre la audiencia.  Goudsmit entendió poco pero reconoció que era un absurdo inverosímil. Kramers entendió mucho y reconoció que era un completo absurdo. Tras la discusión, Goudsmit se acercó a su viejo amigo y mentor Kramers y le preguntó: ¿Todos los físicos se vuelven locos cuando se hacen mayores? Tengo miedo. Kramers respondió, “No Sam, no tienes que asustarte. Un genio como Eddington quizá puede volverse loco pero un tipo como tú sólo se hace cada vez más tonto”.

 

“La historia es la ciencia de las cosas que no se repiten”.

Paul Valéry

         Aquí también están algunas de esas constantes

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo. Hasta un diminuto (no por ello menos importante) electrón crea, con su oscilación, su propio campo magnético, y,  aunque pequeño,  se le supone un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2,82 x 10^-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente del electrón y c es la velocidad de la luz.

         Nuestro universo es como lo podemos observar gracias a esos números

El mayor misterio que rodea a los valores de las constantes de la naturaleza es sin duda la ubicuidad de algunos números enormes que aparecen en una variedad de consideraciones aparentemente inconexas. El número de Eddington es un ejemplo notable. El número total de protones que hay     dentro del alcance del universo observable esta próximo al número

10⁸⁰

Si preguntamos ahora por la razón entre las intensidades de las fuerzas electromagnéticas y gravitatoria entre dos protones, la respuesta no depende de su separación, sino que es aproximadamente igual a

10⁴⁰

En un misterio. Es bastante habitual que los números puros que incluyen las constantes de la naturaleza difieran de 1 en un factor del orden de 10², ¡pero 10⁴⁰, y su cuadrado 10⁸⁰, es rarísimo! Y esto no es todo. Si seguimos a Max Planck y calculamos en valor estimado para la “acción” del universo observable en unidades fundamentales de Planck para la acción, obtenemos.

10¹²⁰

      Supernovas, Nebulosas, Estrellas… ¡Fuerzas y Constantes fundamentales!

Algunos llegan a afirmar que, el Universo es plano e indican que la energía oscura es probablemente la constante cosmológica de Einstein…¡Vivir para ver! El maestro llegó a decir que incluir la constante cosmológica en su ecuación había sido el mayor error de su vida y, sin embargo ahora… resulta que sí estaba en lo cierto. ¡Ya veremos!

Ya hemos visto que Eddington se inclinaba a relacionar el número de partículas del universo observable con alguna cantidad que incluyera la constante cosmológica. Esta cantidad ha tenido una historia muy tranquila desde esa época, reemergiendo ocasionalmente cuando los cosmólogos teóricos necesitan encontrar una manera de acomodar nuevas observaciones incómodas.  Recientemente se ha repetido este escenario. Nuevas observaciones de alcance y precisión sin precedentes, posibilitadas por el telescopio espacial Hubble trabajando en cooperación con telescopios sensibles en tierra, han detectado supernovas en galaxias muy lejanas. Su pauta de brillo y atenuación característica permite deducir su distancia a partir de su brillo aparente. Y, sorprendentemente, resulta que están alejándose de nosotros mucho más rápido de lo que cualquiera esperaba. La expansión del universo ha pasado de ser un estado de deceleración a uno de aceleración. Estas observaciones implican la existencia de una constante cosmológica positiva (Λ⁺). Si expresamos su valor numérico como número puro adimensional medido en unidades del cuadrado de la longitud de Planck, entonces obtenemos un número muy próximo a

10^-120

Nunca se ha encontrado un número más pequeño en una investigación física real. Podemos decir que es el más grande de los pequeños números.

Hablar del Universo en todo su conjunto…, no es nada fácil. Podemoshablar de parcelas, de elementos por separado y también de sucesos, objetos y de la mecánica celeste de manera individualizada para tratar de comprenderlos mejor y, más tarde, juntarlos para tener una perspectiva de su conjunto que… No siempre podemos llegar a comprender. ¡Es tanto lo que esas constantes nos quieren decir! que comprenderlas y entenderlo todo…, nos llevará algún tiempo.

¿Qué vamos a hacer con todos estos grandes números? ¿Hay algo cósmicamente significativo en 10⁴⁰ y sus cuadrados y cubos?

                                                            Hermann Weyl

La aparición de algunos de estos grandes números ha sido una fuente de sorpresas desde que fue advertida por vez primera por Hermann Weyl en 1.919. Eddington había tratado de construir una teoría que hiciera comprensible su aparición, pero no logró convencer a un número significativo de cosmólogos de que estaba en la vía correcta. Pero sí convenció a la gente de que había algo que necesitaba explicación. De forma inesperada, fue precisamente uno de sus famosos vecinos de Cambridge quien escribió a la revista Nature la carta que consiguió avivar el interés por el problema con una idea que sigue siendo una posibilidad viable incluso hoy.

                                 Paul Dirac

Paul Dirac ocupó la cátedra lucaciana de matemáticas en Cambridge durante parte del tiempo en que Eddington estuvo viviendo en los observatorios. Las historias que se cuentan de Paul Dirac dejan muy claro que era un tipo con un carácter peculiar, y ejercía de matemático las 24 h. del día. Se pudo saber que su inesperada incursión en los grandes números fue escrita durante su viaje de novios (Luna de miel), en febrero de 1937.

Aunque no muy convencido de las explicaciones de Eddington, escribió que era muy poco probable que números adimensionales muy grandes, que toman valores como 10⁴⁰ y 10⁸⁰, sean accidentes independientes y no relacionados: debe existir alguna fórmula matemática no descubierta que liga las cantidades implicadas. Deben ser consecuencias más que coincidencias.

Esta es la hipótesis de los grandes números según Dirac:

“Dos cualesquiera de los números adimensionales muy grandes que ocurren en la naturaleza están conectados por una sencilla relación matemática, en la que los coeficientes son del orden de la unidad”.

 

 

 

Las dos imágenes nos hablan por sí mismas, y, sin indicaciones sobre ellas, ¿cuál es el universo y cuál el cerebro humano? Nos puede parecer mentira pero… Los verdaderos grandes números están en ¡La Mente!

Los grandes números de que se valía Dirac para formular esta atrevida hipótesis salían del trabajo de Eddington y eran tres:

N₁ = (tamaño del universo observable) / (radio del electrón)

= ct (e²/m_ec²) ≈ 10⁴⁰

N₂ = Razón fuerza electromagnética-a-gravitatoria entre protón y electrón

= e²/Gm_e m_p ≈ 10⁴⁰

N = número de protones en el universo observable

= c³t/Gm_p ≈ 10⁸⁰

Aquí t es la edad actual del universo, m_e es la masa de un electrón, m_p es la masa de un protón, G la constante de gravitación, c la velocidad de la luz y e la carga del electrón.

     El Universo es todo lo que existe: Materia, Tiempo y Espacio inmenrsos en un océano de fuerzas y constantes

Según la hipótesis de Dirac, los números N₁, N₂y raizN eran realmente iguales salvo pequeños factores numéricos del orden de la unidad. Con esto quería decir que debe haber leyes de la naturaleza que exijan fórmulas como N₁ = N₂, o incluso N₁ = 2N_2. Un número como 2 ó 3, no terriblemente diferente de 1 está permitido porque es mucho más pequeño que los grandes números implicados en la fórmula; esto es lo que él quería decir por “coeficientes….  del orden de la unidad”.

Esta hipótesis de igualdad entre grandes números no era en sí misma original de Dirac. Eddington y otros habían escrito antes relaciones muy semejantes, pero Eddington no había distinguido entre el número de partículas del universo observable, que se define como una esfera centrada en nosotros con un radio igual a la velocidad de la luz multiplicada por la edad actual del universo, o lo que es lo mismo:

 

 “El último de estos mapas se ha dado a conocer ahora. Corresponde a la parte del Universo más cercana a la Vía Láctea: hasta 380 millones de años luz de ella. El mapa digital que lleva el nombre de 2MASS Redshift Survey ha sido posible gracias a la colaboración de un nutrido grupo de astrofísicos. Y el resultado llama la atención: un huso moteado de puntos de colores que representan hasta las 45.000 galaxias situadas en el vecindario galáctico. Sólo un 5 por ciento de esa vecindad cósmica queda ausente en el mapa: el cinturón oscuro central, que se aprecia en una las imágenes, y que corresponde al plano de la Vía Láctea. Las estrellas y el polvo de nuestra galaxia impiden contemplar los objetos lejanos situados en esa dirección. En la otra imagen sí se ha insertado la Vía Láctea en esa región oscura central.”

            Sí, demasiado grande para que lo podamos tomar en una sola imagen

                                     ¡Mejor así!

La trayectoria del llamado Universo Observable (y del cual somos su centro al recorrer su geodésica en la geometría espacio-temporal) tiene la forma perimetral de una gota (forma de media lemniscata; cosa curiosa, lemniscata: figura curva ∞ usada como el símbolo de infinito ¿?) que al girarla 45 ° y desarrollar un cuerpo de revolución, se obtienen dos campos toroidales cual si fuesen imágenes antagónicas (una reflejada) de una fuente (surtidor – sumidero cada uno), correspondiendo uno al campo material y el otro al antimaterial.

                     Trayectoria del Universo observable.

Lo están ocupando en su totalidad, se retroalimentan a sí mismos en la Hipersingularidad (punto de contacto de los dos campos, principio y fin de ambos flujos donde reacciona la materia y la antimateria con la finalidad de mantener separados ambos universos con el adicional resultado de impulsar nuevamente a los fluidos universales de ambos campos a recorrer la finita trayectoria cerrada (geodésica) siendo el motor propulsor universal de dos volúmenes dinámicos, finitos pero continuos).

Universo observable: R = 300.000 × 13.500.000.000

La propuesta de Dirac provocó un revuelo entre un grupo de científicos vociferantes que inundaron las páginas de las revistas especializadas de cartas y artículos a favor y en contra. Dirac, mientras tanto, mantenía su calma y sus tranquilas costumbres, pero escribió sobre su creencia en los grandes números cuya importancia encerraba la comprensión del universo con palabras que podrían haber sido de Eddington, pues reflejan muy estrechamente la filosofía de la fracasada “teoría fundamental”.

“¿No cabría la posibilidad de que todos los grandes sucesos presentes correspondan a propiedades de este Gran Número [10⁴⁰] y, generalizando aún más, que la historia entera del universo corresponda a propiedades de la serie entera de los números naturales…? Hay así una posibilidad de que el viejo sueño de los filósofos de conectar la naturaleza con las propiedades de los números enteros se realice algún día”.

 

Cuando hablamos del Universo, de inmediato, surgen las polémicas y los desacuerdos y las nuevas ideas y teorías modernas que quieren ir más allá de lo que “se sabe”, nunca han gustado en los centros de poder de la Ciencia que ven peligrar sus estatus con ideas para ellos “peregrinas” y que, en realidad, vienen a señalar nuevos posibles caminos para salir del atolladero o callejón sin salida en el que actualmente estamos inmersos: Mecánica cuántica y Relatividad que llevan cien años marcando la pauta en los “mundos” de  lo muy pequeño y de lo muy  grande sin que nada, las haya podido desplazar.

Mientras tanto, continuamos hablando de materia y energía oscura que delata la “oscuridad” presente en nuestras mentes, creamos modelos incompletos en el que no sabemos incluir a todas las fuerzas y en las que (para cuadrar las cuentas), hemos metido con calzador y un poco a la fuerza, parámetros que no hemos sabido explicar (como el Bosón de Higgs en el Modelo Estándar que…, a pesar de todo ¡No está muy claro que esté ahí!).  Sin embargo y a pesar de todo, el conocimiento avanza, el saber del mundo aumenta poco a poco y, aunque despacio, el conocimiento no deja de avanzar y, esperemos que las ideas surjan y la imaginación en la misma medida para que, algún día en el futuro, podamos decir que sabemos, aunque sea de manera aproximada, lo que el Universo es.

No debemos dejar de lado, las Unidades de Planck, esos pequeños números que, como Tiempo de Planck…

En este ámbito hablamos de las cosas muy pequeñas, las que no se ven. El Tiempo de Planck es el tiempo que necesita el fotón (viajando a la velocidad de la luz, c, para moverse a través de una distancia igual a la longitud de Planck.  Está dado por , donde G es la constante gravitacional (6, 672 59 (85) x 10^-11 N m² kg^-2), ħ es la constante de Planck racionalizada (ħ = h/2л = 1,054589 x 10^-34 Julios segundo), c, es la velocidad de la luz (299.792.458 m/s).

El valor del tiempo del Planck es del orden de 10^-44 segundos.  En la cosmología del Big Bang, hasta un tiempo Tp después del instante inicial, es necesaria usar una teoría cuántica de la gravedad para describir la evolución del Universo. Todo, desde Einstein, es relativo.  Depende de la pregunta que se formule y de quién nos de la respuesta.

Hay cosas que no cambian, siempre haremos preguntas.

¿Os dais cuenta? Siempre tendremos que estar haciendo preguntas, y, desde luego, nunca podremos saberlo todo. No tener preguntas que formular, o secretos que desvelar… ¡Sería la decadencia del Ser Humano!

No debemos olvidar que:

“La creciente distancia entre la imaginación del mundo físico y el mundo de los sentidos no significa otra cosa que una aproximación progresiva al mundo real.” Nosotros vivimos en nuestro propio mundo, el que forja nuestros sentidos en simbiosis con el cerebro. Sin embargo, ese otro mundo, el que no podemos “ver”, no siempre coincide con “nuestro mundo”.

Emilio Silvera V.

Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él, fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el big bang y a una posterios fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

El proceso o efecto triple alfa es una reacción de fusión nuclear estelar donde tres núcleos de helio-4 (partículas alfa,  se fusionan para formar carbono-12 (¹²C). Ocurre en el núcleo de estrellas gigantes rojas a temperaturas superiores a  millones de Kelvin, siendo fundamental para la síntesis de elementos pesados y la evolución estelar posterior a la secuencia principal.

Hay procesos en el Universo que, si pudiera ser posible contemplarlos en directo, serían dignos del mayor asombro. Por ejemplo, a mí me maravilló comprender como se podía formar Carbono en las estrella y, de cómo éstas se valían del llamado “Efecto Triple Alfa” para conseguirlo.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO ). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

                        Cadena Protón-Protón

Las reacciones internas que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón (carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía para sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y supermasivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara hacia arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

La imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercanas galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de años luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y la nube, con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

El más conocido remanente estelar, la Nebulosa del Cangrejo cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio para saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos.

El pulsar de la nebulosa del cangrejo, en rojo del Hubble

Antes dejámos una relación de materiales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitan Cook negociaban por el afecto de las tahitianas.

La muerte de una estrella supergigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y, como más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio.

¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planeta Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creación de esos materiales complejos entre los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que se forman cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, pueden surgir planetas como la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plagado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuántas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

¡Qué gran secreto tiene el Universo! ¿Cómo se las arregla para crear las precisas condiciones que dan lugar al surgir de la Vida? A veces me pregunto:

¿Sabía el Universo que íbamos avenir?

Emilio Silvera Vázquez