No pocas veces nos encontramos con hechos que aunque han tenido la participación de los humanos, parecen tener su origen en otro ámbito más alto de éste nuestro, en otro lugar donde el entendimiento sería superior y las mentes tuvieran la potestad de ver secretos de la Naturaleza profundamente escondidos. En física tenemos multitud de ejemplos de esto que digo: Me vienen a la mente las ecuaciones conocidas como de Yang-Mills que indicaban que los gluones, las partículas gauge que transportan la fuerza más poderosa de las cuatro conocidas para mantener unidos los Quarks dentro del núcleo, debían carecer de masa, como los fotones y los gravitones.

¿Por qué, entonces la fuerza nuclear fuerte se hace sentir sólo a corta distancia, cuando la luz y la gravitación tienen un alcanza infinito?

La respuesta la tenemos en la Cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza intensa, es que ésta aumenta su poder cuando los Quarks que aprisiona tratan de separarse, en vez de debilitarse como el electromagnetismo y la gravitación con la distancia, la fuerza nuclear fuerte aumenta. Ahí surgió el origen de confinamiento de los Quarks” que, obligados por una “nube” de Gluones, el Bosón mediador de esta fuerza.

También aclaró la Cromodinámica cuántica el funcionamiento de la fuerza débil: el fenómeno antes misterioso de la desintegración radiactiva Beta que pudo ser interpreta ahora como la conversión de un Quark down en un Quark up, convirtiéndose el neutrón,  formado por dos Quarks down y un Quark up, en un protón que consiste en dos Quarks up y un Quark down.

Emmy Noether demostró que las leyes físicas fundamentales son solo una consecuencia de simetrías simples. Un siglo después, sus ideas siguen dando forma a la física.

La simetría como se pudo ver más tarde, iba a desempeñar un papel destacado en el ulterior desarrollo de la teoría cuántica de campo, y hasta señaló el camino hacia una teoría unificada de la “supersimetría”, capaz de unir todas las partículas y campos bajo el manto de un sólo conjunto de ecuaciones. Yang escribió:

         Yang Chen-Ning

“La Naturaleza parece aprovechar la representación matemática simple de las leyes de simetría. La elegancia intrínseca y la bella perfección del razonamiento matemático involucrado, así como la complejidad y profundidad de sus consecuencias físicas, son una gran fuente de estímulo para los físicos. Uno aprende a alentar la esperanza de que la Naturaleza posee un orden que podemos aspirar a comprender.”

La Simetría de la Naturaleza nos rodea por todas partes y, a nuestro alrededor, miremos donde podamos mirar, allí está presente y, sin embargo, de ninguna manera son manifiestas todas las simetrías de la Naturaleza. Vivimos en un mundo imperfecto, en el que muchas de las simetrías que aparecen en las ecuaciones están rotas.

De todos es bien conocido que, el mismo Yang, en colaboración con Tsung Dao Lee, identificó una discreta simetría en la fuerza débil, llamada violación de la paridad. En 1956, ambos predijeron sobre bases teóricas, que el espín de las partículas provenientes de la desintegración Beta mostrarían una ligera preferencia por una dirección sobre la otra. Experimentos realizados, así lo confirmaron y les valió el Premio Nobel a Lee y Yang (aunque no a Wu por razones desconocidas). Aquello sirvió para atraer la atención sobre el hecho de que la Naturaleza, sea simétrica en algunos aspectos y asimétrica en otros.

Las moléculas quirales son aquellas que no pueden superponerse con su imagen especular (imagen reflejada en un espejo). Esto se debe a la disposición espacial de sus átomos, especialmente a la presencia de un carbono asimétrico (carbono con cuatro grupos diferentes unidos a el.

Las conocidas como moléculas quirales pueden existir en dos formas, siendo una la imagen especular no superponible de una sobre la otra, incluso aunque ambas tienen la misma composición química … Si bien los experimentos de laboratorio tienden a producir cantidades iguales de las versiones dextrógiras y levógiras, muchas de las moléculas quirales encontradas en organismos vivos proceden de una de las variedades … Por ejemplo, los aminoácidos que forman las proteínas solo aparecen en la forma levógira, mientras que los azúcares del ADN sólo en la dextrógira … ( la dextrosa o glucosa, es un azúcar que desvía el plano de polarización a la derecha) …

La simetría está por todo el Universo, no importa hacia donde miremos, allí estará

Los científicos han debatido desde hace mucho sobre esta asimetría en los seres vivos … Algunos han defendido que un número igual de ambas versiones de la molécula quiral estaba presente en el inicio de la vida, y que sólo durante la evolución biológica tuvo lugar el desequilibrio … Esa visión se ha ido haciendo cada vez menos popular, no obstante, al darnos cuenta de que el proceso fundamentalmente importante del plegamiento de proteínas parece requerir un desequilibrio quiral, aunque el que la naturaleza haya seleccionado la quiralidad derecha o izquierda para cada molécula durante la evolución implicaría procesos extremadamente complejos …

Simetría en las Galaxias espirales

Los pilares de luz son unas líneas verticales bastante brillantes que parecen emerger del horizonte con destino al cielo.

(Foto: Archivo)

Mares rojos

La marea roja es un fenómeno producido por la acumulación en exceso de algas rojas microscópicas en la superficie del agua. Bajo ciertas circunstancias, los microorganismos empiezan a multiplicarse demasiado rápido. En general, es lo mismo que la proliferación de algas.

El valle de las aves caídas

En la India existe el valle de Jatinga donde, en los últimos días de verano, las aves se comportan de manera muy extraña, y esto se repite desde hace ya muchos años. Vuelan justo encima de las cabezas de las personas, y algunas de ellas caen al piso de inmediato en un estado semiinconsciente.

Naga y las esferas de fuego

Desde las profundidades del río Mekong, en Tailandia, de vez en cuando salen unas esferas rojas luminosas con una forma parecida a un huevo. Se elevan unos 10 o 20 metros sobre la superficie del río y desaparecen. Aparecen con mayor frecuencia en octubre. En esa época, en los pueblos cercanos, se celebra el festival dedicado a este fenómeno. Los científicos intentan explicarlo a partir de la inflamación de gases que se elevan del fondo del río. Sin embargo, los residentes locales están seguros de que estas esferas son creadas por Naga, semi-serpiente, semi-humano que vive en el río.

El “dedo de la muerte” de hielo

Este fenómeno sucede en las aguas árticas subglaciales debido a las diferentes temperaturas de congelación del agua con diferente salinidad. Por fuera, luce como un crecimiento inesperado de un carámbano que, al llegar al fondo, se convierte en un riachuelo de hielo. Los animales marinos que se encuentran con brinicle (tubo hueco de hielo que crece hacia abajo y encierra una columna de salmuera descendente que se forma debajo del hielo marino en desarrollo), se cubren rápidamente de una costra de hielo y se congelan.

¿Cómo poder explicar secretos que la Naturaleza esconde si no los observamos y estudiamos?

Los cuernos de una cabra paquistaní, la imagen de un ciclón visto desde el espacio, una galaxia o una concha, la chica que arriba nos mira. Son formas que se nos viene a la vista, aspectos de la realidad que llaman poderosamente nuestra atención y nos lleva a preguntar: ¿Por qué se forman y repiten esas figuras una y otra vez, y, en cada caso, una es la “copia exacta” de todas las demás de su género? ¿Es posible que el hombre, al contemplar tales maravillas comenzara a hacer preguntas y diera lugar al nacimiento de la Ciencia? Las matemáticas comenzaron por el asombro que despertaban las formas geométricas  y de la misma manera, nacieron los primeros problemas de la física clásica centrada en las órbitas de los astros y las trayectorias de proyectiles.

La geología estudia la forma de las piedras y volcanes y la biología se ocupa de las formas de los seres vivos y de como ésta ha ido cambiando a lo largo del tiempo. Pero, ¿Cómo explicar los mecanismos que crean el aspecto exterior de la realidad que podemos percibir? ¿Y por qué existen las mismas estructuras tanto en los organismos vivos como en el mundo inanimado?

Observamos la Naturaleza y podemos contemplar formas armoniosas y elegantes, entendiendo que son cuerpos bellos y simétricos en todas sus versiones. Por ejemplo, a mí siempre me llamó la atención la simetría por traslación que se puede encontrar en la disposición de las hojas.

Si nos fijamos y analizamos como se van desarrollando hacia la extremidad de su rama, aparecen con la misma forma inicial. Un asimetría que está presente en los organismos que cuentan con una estructura en la que se repiten segmentos iguales, con los mismos aparatos y los mismos órganos, como el trilobites, fósil del Paleozoico (lombriz y sanguijuela), y algunas plantas.

En cambio 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. No debemos olvidar 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 cuando 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. Además, cuando el aspecto no es el de una esfera perfecta, la Naturaleza hará todo lo posible para acercarse a esta forma.

En todo esto, y, para que así ocurra, tiene que estar presente la Gravedad. Veamos:

Parémonos un momento en la gravitación y generalicemos el concepto de simetría, ampliándolo a las fórmulas matemáticas. Veamos  la fórmula de Newton, pero expresándola con palabras, de esta manera: la fuerza de atracción entre dos cuerpos es proporcional al producto de dos términos: el primero es la masa de un cuerpo dividido por su distancia al otro. El segundo término es la masa del otro cuerpo dividido por su distancia al primero.

Con símbolos matemáticos escribiríamos:

F(M/d) × (m/d)

Es la misma fórmula de siempre, pero la hemos puesto así para visualizar que la gravitación se puede expresar con una fórmula bastante simétrica: los dos términos de la derecha de la ecuación son “casi” simétricos ¿no es verdad?

Este concepto más general de simetría es muy profundo, porque nos lleva a pensar que la Naturaleza y las leyes físicas que la describen también obedecen a las leyes de la simetría, igual que la materia, en sus manifestaciones externas, las obedece en muchos casos.”

¿Sería posible que la simetría material tuviera un paralelismo en la abstracción intelectual que son las leyes físicas? Desde 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 cada 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.

Cristales de agua

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 nube primordial que rodeaba al Sol, atrayendo materia indeferentemente de todas partes.

Por otro lado, cuando la fuerza de la Gravedad actúa en una dirección y permite distinguir lo alto de lo bajo, los cuerpos asumen formas que gozan de simetría por rotación, en torno a un eje vertical, como las flores, los árboles, las medusas. Si este organismo presente ojos y boca sobre la parte anterior del cuerpo para alcanzar la comida antes que sus competidores (que es lo que sucede con los animales superiores) tenderá a mantener una correspondencia bilateral, lo que hace relativamente intercambiables derecha e izquierda.

Los seres humanos (su exterior) somos buenos ejemplos de esto. Tenemos una casi igualdad entre las dos partes de nuestro cuerpo que se obtendrían dividiéndolo por una línea que pasa por el centro de la nariz y por el centro del ombligo. La figura de arriba muestra el famoso estudio sobre la simetría del cuerpo humano de Leonardo da Vinci.

¿Cómo podemos llegar a la simetría presente en las manchas del leopardo? Pues, tiene su explicación científica, tanto en este animal como en otros felinos, ocurre ésta particularidad de ser poseedores de una piel exterior que los singulariza de otros por su perfecta simetría y belleza de las formas en su conjunto.

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 cada 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 ahora 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. Ahora 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 ahora; ¿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 ahora 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) condiciones 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.

La regularidad de las formas de la Naturaleza se refleja incluso en la cultura humana, que desde siempre intenta inspirarse en el mundo natural para 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.

La búsqueda de la perfección geométtrica y de las propiedades matemáticas pueden ser también 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”.

El Tiempo lo cambia todo

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.

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 tocado participar.

¡Sí que es importante la Belleza! Dirac tenía toda la razón.

Emilio Silvera Vázquez

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Lo cierto es que, sin excepción, todo es una gran aventura que comienza cuando nacemos. Sin embargo, no sabemos como puede terminar pero, eso sí, todas ellas son emocionantes y conllevan los misterios de fascinantes incertidumbres, nunca sabremos lo que pasará “mañana” toda vez que no hemos llegado a comprender, en toda su plenitud, a ninguna de estas historias e incluso, de algunas, desconocemos hasta su comienzo y, por ello, nos vemos en la necesidad de inventarlo. Claro que, lo que sucede primero no es necesariamente el principio.

    Con ésta atmósfera ígnea, la Tierra todavía se estaba enfriando, ya existían las primeras bacterias

Esta es la Imagen de la Tierra, nuestro planeta que desde hace cuatro mil millones de años da cobijo a la Vida. Su clima y su topografía varían continuamente, como las especies que viven en él. Y lo que es más espectacular,  hemos descubierto que todo el universo de estrellas y galaxias está en un estado de cambio dinámico, en el que grandes cúmulos de galaxias se alejan de otros hacia un futuro que será muy diferente del presente. Ahora sabemos que, vivimos en un tiempo prestado.

Políticos y vividores nos quieren vender el cuento del “Cambio Climático”. La Humanidad al completo no tiene medios y el poder de cambiar nada en ese sentido, ya que, es la propia Tierra la que se recicla y lo renueva todo para seguir adelante  y conseguir sus fines (acordaos de GAIA). Si miramos hacia atrás en el Tiempo, veremos que el cambio del clima es algo natural y que de manera periódica, la Tierra cambia mediante procesos naturales.

Ya sabemos que nada es eterno, ni el Universo lo es y cambia continuamente

Pero, a pesar del cambio incesante y la dinámica del universo visible, existen aspectos de la fábrica del Universo misteriosos en su inquebrantable constancia. Son esas misteriosas cosas invariables las que hace de nuestro Universo el que es y lo distinguen de otros mundos que pudiéramos imaginar. Cuando se conocen estas misteriosas constantes, podemos percibir que es como si hubiera un hilo dorado que teje una continuidad a través del espacio-tiempo que, inexorable, transcurre en la Naturaleza. Y, tales constancias, nos llevan a pensar que todas las cosas son iguales a lo largo del vasto Universo. Que fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy.

La velocidad de la luz en el vacío, c, es una de esas misteriosas constancias que perduran a través del tiempo y del espacio, nunca varía. De hecho, quizá sin un substrato semejante de realidades  invariables no podrían existir corrientes superficiales de cambio ni ninguna complejidad de mente y materia. La velocidad de la luz, c, es una constante universal que marca el límite de velocidad del universo en el que nada, ninguna información, puede transmitirse más rápida que la velocidad de la luz. Einstein nos demostró que la velocidad de la luz en el vacío debería actuar como ese límite último de velocidad.

Con razón nos decía Planck:

“La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza. Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros mismos somos parte del misterio que estamos tratando de resolver.” 

Todos se preguntan lo mismo: ¿Estamos solos en el Universo?

Un joven periodista soñó que viajaba en el Tiempo y entrevistaba a Galileo:

• ¿Verdad maestro, que si se encuentran alienígenas sería un milagro?
• No, joven amigo, el milagro sería que nos los encontramos.

Y, quizás por eso precisamente, será necesario que contactemos con otros seres inteligentes, con otras Civilizaciones de fuera de la Tierra para que, nos podamos conocer mejor, ya que, al compararnos con otras especies del Universo, podremos ver con diáfana claridad, quiénes somos que, precisamente, tiene mucho que ver con las constantes del universo, ya que, de ser distintas, no estaríamos aquí.

El mundo que nos rodea es así porque está conformado por esas constantes de la Naturaleza que hacen que las cosas sean como las podemos observar. Le dan al universo su carácter distintivo y lo hace singular, distinto a otros que podría nuestra imaginación inventar. Estos números misteriosos, a la vez que dejan al descubierto nuestros conocimientos, también dejan al desnudo nuestra enorme ignorancia sobre el universo que nos acoge. Las medimos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invarianza; no podemos explicar sus valores.

137 es el número primo más pequeño de tres dígitos distintos que sigue siendo primo si se elimina cualquiera de sus dígitos.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los secretos del electrón (e), de la luz (c) y del cuanto de acción (h). Hemos descubierto otros nuevos, hemos relacionado los viejos y hemos entendido su papel crucial para hacer que las cosas sean como son, pero la razón de sus valores sigue siendo un secreto profundamente escondido.

¡Nos queda mucho por descubrir! Pero, es cierto, que algo hemos avanzado y sabemos algunas cosas como, por ejemplo que…

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.

“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.” 

El mundo que nosotros percibimos es “nuestro mundo“, el verdadero es diferente y como nos dice Planck en la oración entrecomillada, cada vez estamos más cerca de la realidad, a la que, aunque no nos pueden llevar nuestros sentidos, si no llevarán la intuición, la imaginación y el intelecto.

Está claro que la existencia de unas constantes de la Naturaleza nos dice que sí, que existe una realidad física completamente diferente a las realidades que la Mente humana pueda imaginar. La existencia de esas constantes inmutables dejan en mal lugar a los filósofos positivistas que nos presentan la ciencia como una construcción enteramente humana: puntos precisos organizados de una forma conveniente por una teoría que con el tiempo será reemplazada por otra mejor, más precisa. Claro que, tales pensamientos quedan fuera de lugar cuando sabemos por haberlo descubierto que, las constantes de la naturaleza han surgido sin que nosotros las hallamos invitado y, ellas se muestran como entidades naturales que no han sido escogidas por conveniencia humana.

 Las distintas constantes del Universo han sido puestas a prueba para comprobar si han cambiado a lo largo del tiempo.

Los cuásares están entre los objetos más distantes en el universo. La palabra cuásar o “quásar” es una contracción de las palabras “casi” y “estelar”, por ello son llamados así por su apariencia estelar. El cuásar más lejano hasta ahora es SDSS 1030 +0524 y se halla a unos 13000 millones de años-luz de distancia apenas unos 700 millones después de nacer el universo. La medición de la distancia de estos objetos se toma de la velocidad de alejamiento que presentan, dato que nos lo da el desplazamiento al rojo (z). Se cree que un cuásar nace cuando se fusionan dos galaxias y sus agujeros negros centrales quedan convertidos en este potente y energético objeto.

El cuásar 3C191 fue localizado con un desplazamiento al rojo de 1,95 y por eso su luz salió cuando el universo tenía sólo una quinta parte de su edad actual, hace casi once mil millones de años, llevando información codificada sobre el valor de la constante de estructura fina en ese momento. Con la precisdión de las medidas alcanzables entonces, se encontró que la constante de estructura fina era la misma entonces que ahora dentro de un margen muy pequeño que se puede deber a la imprecisión de la medida:

α (z = 1,95/α(z = 0) = 0,97 ± 0,05

       La Constante de la Estructura Fina

Poco después , en 1967, Bahcall y Schmidt observaron un par de líneas de emisión de oxígeno que aparecen en el espectro de cinco galaxias que emiten radioondas, localizadas con un desplazamiento hacia el rojo promedio de 0,2 (emitiendo así su luz hace unos dos mil millones de años: Aproximadamente la época en que el reactor de Oklo estaba activo en la Tierra y obtuvieron un resultado consistente con ausencia de cambio en la constante de estructura fina que era aún diez veces más fuerte:

α (z = 0,2)/α(z = 0) = 1,001 ± 0,002

Estas observaciones excluían rápidamente la propuesto por Gamow de que la constante de estructura fina estaba aumentando linealmente con la edad del universo. Si hubiese sido así, la razón α(z = 0,2)/α(z = 0) debería haberse encontrado con un valor próximo a 0,8.

Una de las cuestiones más controvertidas en la cosmología es porque las constantes fundamentales de la naturaleza parecen finamente ajustadas para la vida. Una de estas constantes fundamentales es la constante de estructura fina o alfa, que es la constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética (usualmente denotada g, es un número que determina la fuerza de una interacción) y equivale a 1/137,03599911.

La ilustración muestra cómo los rayos X de un cuasar distante, son filtrados al pasar por una nube de gas intergaláctico. Midiendo la cantidad de la disminución de la luz debido al oxígeno y otros elementos presentes en la nube los astrónomos pudieron estimar la temperatura, densidad y la masa de la nube de gas  (el cuasar PKS 2155-304).

Actualmente, el más potente método utilizado en estos experimentos dirige todo su potencial en la búsqueda de pequeños cambios  en la absorción por los átomos de luz procedentes de cuásares lejanos.  En lugar de considerar pares de lineas espectrales  en dobletes del mismo elemento, como el silicio,  considera la separación entre líneas causada por la absorción de la luz del cuásar por diferentes elementos químicos en nubes de gas situadas entre el cuásar y nosotros. Y, a todo esto, las cuatro fuerzas fundamentales siguen estando presentes.

No debemos descartar la posibilidad de que, seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el Universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que se cree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.  Todas las estructuras del Universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras, la  atracción (Expansión) y la repulsión (contracción).  Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla, así, el resultado es la estabilidad de la estrella.  En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos.  Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, ћ, c, G y m_protón.

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.  Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el Universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales.  Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios.  Los átomos pueden tener propiedades diferentes.  La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas, no se puede llegar a saber porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Es un gran mérito por nuestra parte que, nuestras mentes, puedan haber accedido a ese mundo mágico de la Naturaleza para saber ver primero y desentrañar después, esos números puros y adimensionales que nos hablan de las constantes fundamentales que hacen que nuestro Universo sea como lo podemos observar.

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137.  Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender, me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías.  Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”.  El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza solo por la observación y la experimentación.  Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben.  En el cartel solo pondría esto: 137.  Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”.

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba.  La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón,  por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck.

Lo más notable de éste número es su a-dimensionalidad.  La velocidad de la luz, c, es bien conocida y su valor es de 299.792.458 m/segundo, la constante de Planck racionalizada, ћ, es ћ/2 = 1,054589 ×10 julios/segundo, la altura de mi hijo Emilio, el peso de mi amigo Kike (hay que cuidarse), etc., todo viene con sus dimensiones.  Pero resulta que cuando uno combina las magnitudes que componen alfa ¡se borran todas las unidades! El 137 está sólo: se exhibe desnudo a donde va.  Esto quiere decir que los científicos del undécimo planeta de una estrella lejana situada en un sistema solar de la Galaxia Andrómeda, aunque utilicen quién sabe qué unidades para la carga del electrón y la velocidad de la luz y que versión utilicen para la constante de Plancl,  también les saldrá el 137.  Es un número puro.  No lo inventaron los hombres.  Está en la naturaleza, es una de sus constantes naturales, sin dimensiones.

La física se ha devanado los sesos con el 137 durante décadas.  Werner Heisenberg (el que nos regaló el Principio de Incertidumbre en la Mecánica Cuántica), proclamó una vez que, todas las fuentes de perplejidad que existen en la mecánica cuántica se secarían si alguien explicara de una vez el 137.

¿Por qué alfa es igual a 1 partido por 137? El 137 es un número primo. Su inversa, 1/137, es un valor muy cercano al de la constante alfa, que (según la electrodinámica cuántica) caracteriza la interacción entre fotones y electrones. El nombre técnico de alfa es “constante de estructura fina“, y es una de las constantes físicas cuya predicción teórica mejor coincide con los datos experimentales.

Los físicos han demostrado que el valor de alfa es el que tiene que ser para que exista un Universo como el nuestro. De hecho, si alfa variara apenas un poco (menos del 5%), el carbono no se produciría en los hornos estelares y, la vida, tal como la concemos, estaría ausente.

Nosotros, los humanos del planeta Tierra, sabemos de todas esas cuestiones y la última lección que aprendemos de la manera en que números puros como α definen el mundo es el verdadero significado de que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina, e identificamos con α, es una combinación de la carga del electrón, e, la velocidad de la luz, c, y la constante de Planck, h. Inicialmente podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente. Pero sería un error. Si c, h y c cambian de modo que sus valores que tienen unidades métricas (o cualesquiera otras) fueran diferentes cuando las buscamos en nuestras tablas de constantes físicas pero el valor de alfa (α) permaneciera igual, este nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza. Si se duplica el valor de todas las masas, no se puede llegar a saber porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

¡Qué cosas! Tiene la Naturaleza que todo lo hace de manera que nosotros estemos aquí. Bueno, al menos así lo parece.

Emilio Silvera Vázquez

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Curvas de potencial en un sistema de dos cuerpos (aquí el Sol y la Tierra), mostrando los cinco puntos de Lagrange. Las flechas indican pendientes alrededor de los puntos L –acercándose o alejándose de ellos. Contra la intuición, los puntos L₄ y L₅son máximos.

Los puntos de Lagrange, también denominados puntos L o puntos de libración, son las cinco posiciones en un sistema orbital donde un objeto pequeño, sólo afectado por la gravedad,  puede estar teóricamente estacionario respecto a dos objetos más grandes, como es el caso de un satélite artificial con respecto a la Tierra y la Luna.  Los puntos de Lagrange marcan las posiciones donde la atracción gravitatoria combinada de las dos masas grandes proporciona la fuerza centrípeta necesaria para rotar sincrónicamente con la menor de ellas. Son análogos a las órbitas geosincrónicas que permiten a un objeto estar en una posición «fija» en el espacio en lugar de en una órbita en que su posición relativa cambia continuamente. Una definición más precisa pero técnica es que los puntos de Lagrange son las soluciones estacionarias del problema de los tres cuerpos.

                    Diagrama del sistema Sol-Tierra, que muestra el punto L₂, más alejado que la órbita lunar.

El telescopio que suplió al viejo Hubble. Un dato curioso sobre este telescopio es que no estará situado en la órbita terrestre, se situará en el punto de Lagrange  L₂.  Los puntos de Lagrange son las posiciones donde la gravedad del Sol y la Tierra se equilibran, de manera que un objeto puede permanecer estable, sin salir despedido hacia el espacio profundo. El James West se ha situado en esta posición es para aislarlo de la contaminación que existe en la órbita terrestre.

El James West Space Telescope o JWST durante mucho tiempo ha sido promocionado como el reemplazo para el telescopio espacial Hubble. El telescopio está considerado como uno de los proyectos más ambiciosos de la ciencia espacial emprendido. A pesar del enorme desafío, el telescopio se está acercando a la terminación. El telescopio ha servido como un aula técnico sobre las complejidades involucrada con un proyecto tan complejo. También ha servido para desarrollar nuevas tecnologías que son utilizadas por los ciudadanos promedio en sus vidas cotidianas.

En nuestro Universo todo resulta ser el equilibrio de dos fuerzas contrapuestas que se igualan y se equilibran para alcanzar la estabilidad que es requerida para que todo exista en ese nivel de normalidad que hace de nuestro universo el que podemos observar y, los fenómenos que se producen, los cambios, siempre van encaminados a eso, a conseguir ese equilibrio que observamos.

Fuerzas positivas y negativas hacen que el núcleo de los átomos sea estable y las galaxias están sujetas por la Gravedad que mantiene las estrellas juntas y que no dejan que la expansión las pueda deshacer. El el núcleo de los átomos están los protones cargados con fuerzas positivas que atraen el mismo número de electrones que orbitan a su alrededor, y, al estar cargados con fuerzas negativas que se equilibran con las de los protones, el átomo es muy estable.

El núcleo se expande y la fuerza de Gravedad la reduce, lo que hace el equilibrio de la estrella

Cuando hablamos de equilibrio lo estamos haciendo del estado en el que un sistema tiene su energía distribuida de la manera estadísticamente más probable, un estado del sistema en el que las fuerzas, influencia, reacciones, etc., se compensan las unas a las otras de manera que no se permiten cambios y prevalece la estabilidad.

                      Equilibrio estático en tres dimensiones

Un cuerpo se encuentra en equilibrio estático si las resultantes de todas las fuerzas y todos los pares que actúan en él son ambas cero; se si halla en reposo, estará ciertamente no acelerado. Un cuerpo de ese tipo en el reposo se encuentra en equilibrio estable si después de un ligero desplazamiento vuelve a su posición original. Existen diversas variantes que no merece la pena mencionar aquí para no hacer aburrido el trabajo.

También existe el equilibrio térmico y se dice que un cuerpo está en equilibrio térmico si no hay ningún intercambio de calor dentro de él o entre el y sus alrededores. Un sistema se encuentra en equilibrio térmico cuando cuando una reacción y su inversa está teniendo lugar a la misma velocidad. Estos son ejemplos de equilibrios dinámicos, en los que la actividad en un sentido está compensada por la actividad en el sentido inverso. De nuevo el equilibrio o estabilidad creado por fuerzas contrapuestas.

La energía se equipara según una teoría de propuesta por Ludwig Boltzmann y fundamentada teóricamente por James Clerk Maxwell, en virtud de la cual la energía de las moléculas de un gas en una muestra grande en equilibrio térmico está dividida por igual entre todos los grados de libertad disponibles, siendo la energía media de cada grado de libertad kT/2, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura termodinámica. La proposición no es en general cierta si los efectos cuánticos son importantes, pero frecuentemente es una buena aproximación.

El cuadro nos muestra una Ilustración de los distintos tipos de simetría en las formas orgánicas (Field Museum, Chicago).

Claro que si hablamos de simetrías, nos podríamos perder un un laberinto de clases y formas: esférica, cilíndrica, reflectiva, traslacional, helicoidal, de rotación, de ampliación, bilateral, radial… (muchas otras). Pero si nos referimos de manera simple a lo que es o entendemos por una simetría, nos estaremos refiriendo al conjunto de invariancias de un sistema.

Al aplicar una transformación de simetría sobre un sistema, el sistema queda inalterado. La simetría es estudiada matemáticamente usando teoría de grupos. Algunas de las simetrías son directamente físicas. Algunos ejemplos son las reflexiones y rotaciones de las moléculas y las transformaciones de las redes cristalinas.

Las dos fuerzas contrapuestas en los seres vivos inteligentes de nuestro mundo, está precisamente en nosotros mismos: El hombre y la Mujer, juntos, forman un sólo ente de equilibrio perfecto que nos lleva al más alto nivel de simetría y belleza, y, tal equilibrio y conjunción, hace posible el milagro de la replicación.

“La Trampa de Antihidrógeno (ATRAP) es un pequeño experimento en el CERN cuyo objetivo es comparar la antimateria con la materia, en concreto, átomos de anti-hidrógeno (formados por un antiprotón y un positrón, o antielectrón) con átomos de hidrógeno (formados por un protón y un electrón). Acaban de publicar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, 2,792847356(23) veces el magnetón nuclear, que coincide con el del protón en al menos cinco partes por millón (0,0005%), una nueva medida (directa) de la invarianza CPT”

(Francis (th)E mule Science’s News).

Existen simetrías más generales y abstractas como la invariancia CPT y las simetrías asociadas a las teorías gauge (tendríamos que mirar en simetrías rotas y supersimetría para ampliar el concepto en su más amplio espectro y concepción de lo que la simetría es. En el Universo, las simetrías están por todas partes: Estrellas, mundos, galaxias…

Me encantó leer:

 “Resulta gratificante descubrir que en nuestro país, en el Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de València, un grupo de científicos ha liderado una importante investigación internacional para descubrir directamente la ruptura de la simetría del tiempo en las leyes físicas”

La ruptura de simetría del tiempo en las leyes físicas. ¿Por qué?

El Físico J. Bernabeu decía:

 

“Hay una razón que se entiende inmediatamente. Aquellas partículas elementales con que se descubrió, y después confirmó, la asimetría de materia/antimateria, y que son precisamente en las que esperamos la ruptura de simetría temporal, son partículas inestables que se desintegran en el tiempo. Si una partícula se desintegra es imposible poder utilizarla para poder hacer el sentido opuesto del movimiento. Esta razón, que parece tan clara, es efectivamente el impedimento básico por el que un test de la simetría por inversión temporal en partículas que se desintegran no había podido hacerse.”

Por mi parte (Mente inquieta e inconforme con cualquier explicación a la primera), deja llevar y piensa que, la ruptura de simetría temporal del Tiempo es debida a que, se interrumpe su discurrir en presencia de escenarios distintos, ya que, se ha sabido que cerca de un agujero negro se ralentiza o incluso podría llegar a pararse por completo. ¿No es eso una asimetría temporal? ¿ero… ¡Qué sabré Yo!?

Emilio Silvera Vázquez

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Representación del campo de Higgs | Imagen: CERN

       Representación del campo de Higgs

Si este de arriba fuese el Campo de Higgs, esas briznas ¿serían las cuerdas vibrantes que dan masa a las partículas? Todos oímos hablar del Campo de Higgs pero, pocos saben que la idea, no es de ahora y que, en realidad, ese campo se descubrió hace muchos siglos en la antigua India, con el nombre de maya, que sugiere la idea de un velo de ilusión para dar peso a los objetos del mundo material.

El problema de la masa no está resuelto. Todas las partículas tienen masas diferentes pero nadie sabe de donde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo, que el quark extraño debe pesar el doble  (o lo que sea) que el quark arriba, o que el electrón debe tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y sería preciso que, de una vez por todas, pudiéramos conocer el por qué, la Naturaleza, ha decidido que así sea. Según lo que podemos saber de otras cuestiones, cuando es así es porque existe una razón para ello pero, ¿qué razón? En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde les viene la masa?

Nos dijeron que lo habían encontrado y pasado el tiempo de jolgorio… Silencio

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