Las interacciones cuánticas convierten a las cuasipartículas en inmortales – K. Verresen / TUM

Por primera vez, un equipo de físicos comprueba que las cuasipartículas renacen de sus cenizas después de desintegrarse

Si hay algo en lo que todos estamos de acuerdo es que nada dura para siempre. Lo dicen las leyes de la Física, en concreto la segunda ley de la termodinámica, que es la que rige el destino del Universo: toda actividad o proceso incrementa la entropía de un sistema. O lo que es lo mismo, el desorden. Por eso envejecemos, por eso las estrellas se apagan, los átomos se descomponen y por eso, también, los cristales de un vaso que se ha roto jamás volverán a recomponerse.

Pero un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Munich, en el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos, parece haber hallado una excepción a esta norma universal. De hecho, han descubierto que lo que parece inconcebible en nuestra experiencia cotidiana puede estar sucediendo en el misterioso mundo cuántico. Y que allí, unos extraños entes llamados “cuasipartículas” tienen la propiedad de desintegrarse y volver a renacer después de sus propias cenizas, en una serie de ciclos que no tienen fin y que las convierte, de hecho, en inmortales. El extraordinario hallazgo se acaba de publicar en Nature Physics.

Las cuasipartículas pueden describirse como un extraño fenómeno de “excitación colectiva” que sucede en el interior de los cuerpos sólidos. Cuando, por ejemplo, un electrón se mueve en el interior de un sólido, su movimiento se ve perturbado por las interacciones con otros muchos electrones, o núcleos atómicos, que también se están moviendo. Y eso hace que, a pesar de seguir comportándose como un electón libre, tenga una masa diferente, que recibe el nombre de “cuasipartícula de electrones”. Otras cuasipartículas incluyen a los fonones, que son partículas derivadas de las vibraciones de los átomos dentro de un sólido, a los plasmones, que son partículas derivadas de las oscilaciones de un plasma, y a muchas otras, como los famosos fermiones de Majorana, que son a la vez materia y antimateria, los fluxones, los plasmones o los solitones.

En los grandes aceleradores de partículas podemos observar sus comportamientos y desvelar sus secretos

A pesar de que una cuasipartícula implica a todas las partículas que, con sus movimientos, se afectan unas a otras, pueden ser consideradas como partículas individuales que se mueven en el interior de un sistema, rodeadas por una nube de otras partículas que se apartan de su camino o que son arrastradas por su movimiento. El concepto de cuasipartículas fue acuñado por el físico y ganador del premio Nobel Lev Davidovich Landau. Lo usó para describir estados colectivos de muchas partículas o más bien sus interacciones debido a fuerzas eléctricas o magnéticas. A causa de estas interacciones, varias partículas actúan como una sola.

“Hasta ahora -explica Frank Pollmann, uno de los autores del artículo- se suponía que las cuasipartículas en sistemas cuánticos interactivos decaen después de un cierto tiempo. Pero ahora sabemos que no es así: las interacciones fuertes pueden, incluso, detener la descomposición por completo”.

“Hasta el momento -prosigue el investigador- no se sabía con detalle qué procesos influyen en el destino de esas cuasipartículas en sistemas que interactúan. Pero ahora contamos con métodos numéricos con los que podemos calcular interacciones complejas, y computadoras con un rendimiento lo suficientemente alto como para resolver estas ecuaciones”.

Con estas armas a su disposición, los investigadores llevaron a cabo complejas simulaciones para “espiar” a las cuasipartículas. “Es cierto que se desintegran -explica por su parte Ruben Verresen, autor principal del estudio- pero nuevas entidades de partículas idénticas emergen de los escombros. Si el decaimiento se produce muy rápidamente, después de un cierto tiempo se produce una reacción inversa y los escombros vuelven a converger. Este proceso puede repetirse sin fin, como una oscilación sostenida en el tiempo entre decaimiento y renacimiento”.

Muerte y resurrección

La mecánica cuántica tiene muchas implicaciones que no llegamos a comprender

Desde el punto de vista de la Física, esa oscilación entre “muerte y resurrección” puede considerarse como una onda que se transforma en materia, en virtud de la dualidad onda-partícula que predice la mecánica cuántica. Por lo tanto, las cuasipartículas inmortales no violan la segunda ley de la termodinámica. Su entropía permanece constante, la decadencia se detiene.

Cada día damos un paso más en el conocimiento de lo muy pequeño

El descubrimiento, además, consigue también explicar una serie de fenómenos que hasta ahora habían desconcertado a los científicos. Los físicos experimentales, por ejemplo, han medido que el compuesto magnético Ba3CoSB2O9 es sorprendentemente estable, cuando no debería serlo. Ahora se sabe que los magnones, un tipo de cuasipartículas magnéticas, son las responsables de ello. Del mismo modo, otras cuasipartículas, los fotones hacen posible que el helio, que en la superficie de la Tierra es un gas, se convierta en un líquido a -273 grados centígrados (el cero absoluto, donde la actividad atómica se detiene) y pueda seguir fluyendo sin restricciones.

“Nuestro trabajo es pura investigación básica -enfatiza Pollmann-. Sin embargo, es perfectamente posible que algún día nuestros resultados permitan incluso aplicaciones, por ejemplo, la construcción de memorias de datos duraderas para futuras computadoras cuánticas”.

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– Una de las principales finalidades de la Geoquímica es establecer las leyes que rigen el comportamiento, distribución, proporciones relativas y relaciones entre los distintos elementos químicos.

– Los datos de abundancias de elementos e isótopos en los distintos tipos de estrellas nos van a servir para establecer hipótesis del origen de los elementos.

– Los datos de composición del Sol y las estrellas nos permiten establecer hipótesis sobre el origen y evolución de las estrellas. Cualquier hipótesis que explique el origen del Sistema Solar debe explicar también el origen de la Tierra, como planeta de dicho Sistema Solar.

Cuando Einstein irrumpió en la Física, nadie le conocía y sólo era un oscuro empleado de la Oficina de Patentes de Berna en Suiza. Él, sin embargo, no había dejado de estar al día y seguí todo aquello que se pudiera mover en relñación a su pasión: La Física. Los escritos de Mach, de Lorentz, de Maxwell, de Planck… Todo ello le llevó a elaborar su famosa teoría relativista que convulsionó el mundo de la ciencia y, si me apuras mucho, hasta el ámbito filosófico cambió a partir de la relatividad. Una teoría que venía a decir cosas increibles como que la masa era energía congelada, que la luz marcaba el límite de la velocidad del universo, o, que el tiempo se ralentizaba si se marcha a velocidades cercanas a c. Esos extraños postulados no fueron, en un principio, bien entendidos por la física del momento.

 

Manuscrito de Einstein con la fórmula de la Teoría de la Relatividad. Cuando esto se dio a conocer al mundo, muchos miraron escépticos la fórmula y las implicaciones que de ella se podrían derivar, aquello podría cambiar lo firmemente establecido: ¡sacrilegio! ¿qué será de la Física si hacemos caso a lo que diga cualquiera?

Siempre ha sido así, el Status Institucional establecido, bien acomodado en los sillones de las academias y corporaciones, hacen la señal de la cruz, como para espantar al diablo, cada vez que aparecen nuevas ideas que, en realidad, les aterra, toda vez que les puede remover de sus asientos y prebendas, ya que, generalmente, dejan al descubierto que todo lo que predomina, está asentado en una falsa base de criterios y teorías que no siempre, son las correctas ni pueden ser demostradas y, mientras tanto eso ocurre, ellos, ¡a vivir que son dos días!

 

 

En el trabajo “No siempre la física se puede explicar con palabras”, el amigo Tom Vood nos deja el siguiente comentario que, siendo de interés aquí os lo inserto para que todos, podáis pensar en lo que aquí expone: Creo que sus ideas deben ser divulgadas.

!”Te dejo una entre muchas “revelaciones” reciente, calentitas solo para ti; que no quisiera que se divulgaran. Pero le dejo a su responsabilidad, si borrarlas, si usted cree que debo seguir como guerrillero de la ciencia o debe ser conocidas estas ideas por toda la comunidad científica. Disculpa, pero no logro discernir eso. Pero como admiras tanto a Einstein y yo soy tan tonto, te la insinúo por arribita: (Según el modelo de la interacción Luz-Luz).

https://www.emiliosilveravazquez.com/blog/2024/10/31/acercarse-a-la-velocidad-de-la-luz-trae-consecuencias-3/

¿Sabes por que las energíasmasas (partículas, o electromagnéticos confinados) no pueden superar la velocidad de la luz?

Bueno Einstein se moriría por explicárselo; a pesar de que para los modernos físicos esas preguntas ilegales no se le hacen a la física; recuerda el famoso: ¡no preguntes y calcula! Como diciendo, no eres físico, sino físico-matemático. O lo que no se, o no me puedo explicar, no lo puedes preguntar, es de mal gusto hacerlo, o de ignorantes. ¡Que daño Dios!

Bueno, pues una partícula según mi modelo es energíacampo confinada o electromagnético confinado en forma de energíamasa y por lo tanto cuando alcanza la velocidad de la luz, ocurre la ruptura de simetría que lo regresa a ser de nuevo energíacampo.

Más riguroso: Si una energíamasa alcanza la velocidad de la luz, se convierte en energíacampo.

De aquí se extraen miles de corolarios:

-Las energíasmasas (partículas) si alcanzan la velocidad de la luz, solo que una vez que la alcanzan, se rompe su topología de confinación, de energíasmasas y se liberan de nuevo como energíascampos. Algo que nunca dejaron de ser. Es que eso nunca las cinco física anteriores lo prohibían; por algo era. Mi modelo no mutila, incorpora,… Son los físicos, los que al no tener un buen modelo, medio que lo veían implícito así en la teoría; que eso no podía suceder. Pero si sucede, solo que nunca pueden sostenerse así.

 

 

 Tom parece tener en sus manos las respuestas pero… se les escapa entre los dedos

-Nunca una energíamasa (partícula con masa) podrá superar la velocidad de la luz. La conclusión Eisteniana que nadie se ha podido explicar. Vez que fácil es todo, una vez que se va ha la física.

-La velocidad de la luz no es una barrera, la barrera es la ley que confina la energíacampo, en forma de energíamasa. Esa topología, geometría; o relaciona geometrías/energía.

-Toda aniquilación, desintegración y  explosión tipo Big Bang (odio, o no creo lo del Big Bang) de los cuerpos del macrocosmo, es por la misma causa.

-De esto se extrae (del modelo también) la ley universal permitibilidad máxima de energía por unidad de espaciotiempo… El VICEVERSA; porque si no todo fuera energíascampos y la naturaleza no ocurre así: Toda energíacampo (luz,…) se confina como energíamasa, cuando su velocidad se hace cero.

-O lo que es lo mismo, ninguna partícula sin masa puede llegar a alcanzar el estado de reposo. Otra cosa que ningún modelo ha explicado, aunque es evidente que es un principio natural. Como todo lo que les explico. ¡Total, si eso es ilegal para el establishment!

De aquí se infieren muchas preguntas, conclusiones, paradojas, o explicaciones más racionales, a muchas cosas que decimos explicadas o que no hemos explicado todavía.

 

También nosotros estamos inmersos en un campo de energía-masa

 

La energíascampos (ustedes siempre piensen en la luz como yo al principio, para que no se pierdan) nunca puede estar en reposo (que la energía no puede estar en reposo es conocido, por eso es energía), pero como si existen circunstancias físicas muy especiales, donde esta puede ir disminuyendo su velocidad hasta que sea cero; la naturaleza resuelve esta paradoja, confinando las energíascampos, en diferentes topologías que donde se conserva como energíascampos (mas fácil verlo si piensan en luz); pero exteriormente se manifiesta como un ente, que puede estar en reposo o moverse como un todo; como lo que llamamos partículas con masa ( para mi energíasmasas).

Otra idea que puede ayudarlos a digerir esto: la energíacampo oscila, están acotadas entre la velocidad cero y la velocidad “c”. Esa oscilación, tipo superficie de agua hirviente, es lo que ocurre en la superficie de un agujero negro. Otra revelación de la riqueza física que despliega el modelo.

 

 

Te explico mejor: Cuando una energíacampo (luz) cae en un campo tan intenso como el de un agujero negro, su velocidad comienza a disminuir, llegado al “horizonte” (concepto que hay que ampliar) donde su velocidad seria cero; según mi modelo se confina como una energíamasa y trataría de moverse como un todo. Y aquí pueden ocurrir varias cosas que no te he explicado. Según la geometría que adopte la confinación, podrá ser un fermión izquierdo o derecho (una partícula o una antipartícula); así que puede ocurrir aniquilación…

También podría ocurrir que esa partícula (o energíamasa) alcance la velocidad de la luz; es decir regrese ha ser energíacampo, ya te explique por que. Ahora, la gravitación es energíacampo también, y aquí ocurre que ella penetra a la partícula (el mismo proceso de la aniquilación, todo es lo mismo, hay una regularidad natural entre el micromundo y el macromundo, que nadie ve), satura la estabilidad de su topología, y esta se desintegra (aquí tienes la explicación de todos los procesos de desintegración y con el, los tiempos de vida). Pero desintegración en mi razonamientos, en el modelo; es decaer en otra topología de menor energía y cuando esas topologías estables, quedan agotadas por las leyes naturales, que los físicos llamamos de conservación (carga, spin, Isoespin, CP, CPT,…); no le queda otro remedio a la energíamasa; que volver ha ser una energíacampo.

 

 

 

  Estaría bien que Tom pudiera, por fín, atrapar con los dedos de la Mente,  su teoría Luz-Luz (débil-fuerte) para asombrar al mundo.

Bueno espero haberte complacido en algo, “tuvisteis la exclusividad”, lo dejo ahí porque para que lo digieran y porque tengo muchos problemas que resolver. Tampoco tengo tiempo de leer lo que escribí (como ya es costumbre); pero ustedes son inteligentes como para no crucificarme, así que corrígeme ha tus Dones. Pueden divulgar a su antojo, como siempre les digo, “mi física de café con leche”. Tómense su tiempo para digerirlo, para acostumbrarse a estas nuevas concepciones físicas, esto párese merecerlo, parece novedoso.

Gracias amigo, te agradecemos las revelaciones que, si al fin se abren camino, nos podrían llevar a terrenos más cercanos a la realidad física del mundo. Daríamos un paso adelante en la comprensión del Universo y, como pasa siempre que obtenemos alguna nueva respuesta…¡Podríamos seguir planteando nuevas preguntas! que por cierto, ahora no podemos hacer por no tener ese conocimiento que tú tratas de entregar al mundo.

 

            Sigamos con la Gravedad Cuántica

 

La física será incompleta y conceptualmente insatisfactoria en tanto no se disponga de una teoría adecuada de la gravedad cuántica. Todos hemos oido hablar de la incompatibilidad de las dos teorías que sustentan hoy por hoy toda la Física  y que, todosm también sabemos que, son teorías incompletas que necesitan de una reunificación en un todo poderoso que todo lo puesda explicar.

Durante el siglo XX, la física se fundamentó, en general, sobre dos grandes pilares: la mecánica cuántica y la teoría de relatividad. Sin embargo, a pesar de los enormes éxitos logrados por cada una de ellas, las dos aparecen ser incompatibles. Esta embarazosa contradicción, en el corazón mismo de física teórica, se ha transformado en uno de los grandes desafíos permanentes en la ciencia.

La teoría de la relatividad general da cuenta a la perfección de la gravitación. Por su parte, la aplicación a la gravedad de la mecánica cuántica requiere de un modelo específico de gravedad cuántica. A primera vista, parecería que la construcción de una teoría de gravedad cuántica no sería más problemático que lo que resultó la teoría de la electrodinámica cuántica (EDC), que ya lleva más de medio siglo con aplicaciones más que satisfactorias.

En lo medular, la EDC describe la fuerza electromagnética en términos de los cambios que experimentan las llamadas partículas virtuales, que son emitidas y rápidamente absorbidas de nuevo; el principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que ellas no tienen que conservar la energía y el movimiento. Así la repulsión electrostática entre dos electrones puede ser considerada como la emisión, por parte de un electrón, de fotones virtuales y que luego son absorbidos por el otro.

La misma mecánica, pero a través de los cambios de la partícula virtual de la gravedad el «gravitón» (el quantum del campo gravitacional), podría considerarse para estimar la atracción gravitacional entre dos cuerpos. Pero gravitones nunca se han visto. La gravedad es tan débil que puede obviarse a escala molecular, donde los efectos cuánticos son importantes. Ahora, si los cambios que podrían realizarse en los gravitones sólo se producen en la interacción entre dos puntos de masa, es posible, entonces, que en los cuerpos masivos se ignore los efectos cuánticos. El principio de incertidumbre de Heisenberg nos señala que no podemos medir simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula subatómica, pero esta indeterminación es imperceptible para los planetas, las estrellas o las galaxias.

 

        Sí, pero, ¿qué me dices del gravitón?

 

Pero el principal obstáculo, sin embargo, es la cantidad de complicados procesos que implica examinar un gran número de gravitones. La gravedad se diferencia crucialmente del electromagnetismo al no ser lineal. Esta inlinealidad surge porque la gravedad posee la energía, y ésta tiene la masa, que gravita. En el lenguaje cuántico, esto implica que gravitones interactúan recíprocamente con otro gravitones, a diferencia de los fotones, que interactúan sólo con cargas y corrientes eléctricas y no con otros fotones. Ahora, como los gravitones interactúan el uno con el otro, las partículas de materia son rodeadas por complejas redes de gravitones virtuales que forman «lazos cerrados», muy semejante a «árboles bifurcados».

En la teoría de campo cuántica, los lazos cerrados son un signo de problema; ellos normalmente producen respuestas infinitas en los cálculos de procesos físicos. En EDC, tales lazos ocurren cuando un electrón emite y absorbe de nuevo su propio fotón. En ese caso, los infinitos son soslayados a través de un procedimiento matemático conocido como renormalización. Si éste es hecho correctamente, se obtienen razonables respuestas. La QED es lo que se llama una teoría renormalizable porque todos los infinitos pueden ser soslayados sistemáticamente; en efecto, solo un conjunto de operaciones matemáticas es suficiente para eliminar los infinitos.

 

      Parece que aquí puede estar la solución

 

Lamentablemente, tal procedimiento sistemático no es operativo cuando la mecánica cuántica es aplicada a la relatividad general; la teoría es, por lo tanto, «no-renormalizable». Cada proceso que implique progresivamente más lazos cerrados de gravitones introduce nuevas variantes de términos infinitos. Lo anterior, coarta la investigación para muchísimos fenómenos de interés, y sugiere que puede que haya básicamente algo que esté errado en la relatividad general, en la mecánica cuántica, o en ambas.

Pero miremos más allá del problema de renormalización, ¿qué pasaría si nos remontáramos a un momento en que todo lo que podemos ver, y hasta lo que hay más allá de nuestro «horizonte» de 13.000 millones de años luz, estaba comprimido hasta un volumen menor que el de un núcleo atómico? A estas densidades descomunales, que se dieron durante los primeros 10^-43 segundos del universo (lo que se conoce como «tiempo de Planck»), tanto los efectos cuánticos como la gravedad habrían sido importantes. ¿Qué pasa cuando los efectos cuánticos convulsionan todo un universo?

 

 

Por ello, la física será incompleta y conceptualmente insatisfactoria en tanto no se disponga de una teoría adecuada de la gravedad cuántica. Algunos teóricos creen que ya es tiempo de explorar las leyes físicas que prevalecían en el tiempo de Planck, y han propuesto algunas hipótesis interesantes. Sin embargo, no hay consenso sobre qué ideas hay que descartar. Lo que es seguro es que debemos rechazar nuestras queridas concepciones del espacio y el tiempo basadas en el sentido común: el espaciotiempo a muy pequeña escala podría tener una estructura caótica, espumosa, sin ninguna flecha temporal bien definida; puede que haya una generación y fusión continua de agujeros negros primores y minúsculos. La actividad podría ser lo bastante violenta para generar nuevos dominios espaciotemporales que evolucionarían como universos independientes. Eventos más tardíos (en particular la fase inflacionaria que se describe en el capítulo XVI) podrían haber borrado cualquier rastro de la era cuántica inicial. El único lugar donde podrían observarse efectos cuántico-gravitatorios sería cerca de las singularidades centrales de los agujeros negros (de donde ninguna señal puede escapar). Una teoría sin consecuencias evidentes fuera de estos dominios tan exóticos e inaccesibles no es verificable. Para que se la tome en serio debe estar íntimamente insertada o, en su efecto, articulada en alguna teoría con fundamento empírico, o bien debe percibirse como una conclusión inevitable y convincente.

Durante las últimas décadas, varias tentativas han sido hechas para buscarle una solución al problema de la no-renormalización de la gravedad cuántica y caminar hacia la unificación de todas las fuerzas. La aproximación más esperanzadora para alcanzar ese viejo anhelo de los físicos es la teoría de las «supercuerdas», que ya anteriormente vimos.

 

 

Sin embargo, recordemos aquí que en la teoría de las supercuerdas se presume una escala natural energética determinada por la energía de Planck, alrededor de unos 10¹⁹ GeV. Esto es 10¹⁷ veces más alto que los tipos de energías que pueden ser producidos en los aceleradores de partículas más grandes, lo que imposibilita contrastar con la teoría la existencia misma de las supercuerdas. No obstante, los teóricos esperan que a escala de energía accesible tanto la física, la relatividad general, el electromagnetismo, las fuerzas nucleares débiles y fuertes, las partículas subatómicas surjan de la teoría de las supercuerdas como una aproximación. Así, se espera conseguir con ese modelo de cuerdas no sólo una ajustada descripción de la gravedad cuántica, sino que también intentar con ella la anhelada unificación de las fuerzas.

 

 

La teoría defiende la existencia de diez dimensiones espaciales y una temporal. Esas dimensiones estarían en las propias cuerdas, y por eso no las vemos. Con esto de las dimensiones me pasa lo mismo que con la “materia oscura”, son buenos artilugios para pasar página y dar por bueno lo que aún no se ha podido verificar.

Lamentablemente, no hay un único límite de baja energía para la teoría de las supercuerdas como tampoco un sólo modelo de la teoría. Por un tiempo, lo anterior pareció como una barrera infranqueable, pero en años recientes, y a través de una mayor abstractación matemática, se ha construido un nuevo modelo de supercuerdas conocido como «la teoría M» que amalgama dentro de ella otras teorías de supercuerdas.

Por ahora, es demasiado pronto para pronunciarse si la teoría M es finalmente el medio que reconciliará la gravitación y la mecánica cuántica, pero sí debería poder cumplir con algunas expectativas, como ser las de explicar algunos hechos básicos sobre el mundo físico. Por ejemplo, el espaciotiempo de cuatro dimensional tendría que surgir de la teoría, más bien que ser insertado en ella. Las fuerzas y las partículas de naturaleza también deberían ser descritas, preferentemente incluyendo sus propiedades claves, como fuerzas de interacción y masas. Sin embargo, a no ser que la teoría M, o una variante futura, pueda ser proyectada a la baja energía de los laboratorio de física para poder ser contrastada, corre el riesgo de empezar a ser olvidada y finalmente archivada como uno más de los muchos y elegantes ejercicios matemáticos que se han elaborado para la física en los últimos tiempos.

 

Cuerdas o filamentos vibrantes en el corazón de la materia

 

Si la teoría de supercuerda es una pérdida de tiempo o no, ello está por verse. Por ahora, el desafío más duro a superar por la teoría es entender por qué el espacio de 9 dimensiones más el tiempo se «comprime» bajo el aspecto de nuestro espacio habitual tetradimensional (el tiempo más las tres dimensiones espaciales), en vez de hacerlo en tres o cinco dimensiones, y ver cómo sucede esto. Aún hay un espacio infranqueable entre la teoría de supercuerdas y los fenómenos observables. La teoría de supercuerdas plantea problemas demasiado difíciles ahora mismo para los matemáticos. En este aspecto, es muy diferente de la mayor parte de teorías físicas: normalmente, el aparato matemático de las teorías se desarrolla antes que éstas. Por ejemplo, Einstein utilizó conceptos geométricos desarrollados en el siglo XIX, no tuvo que partir de cero para construir las matemáticas que necesitaba.

Por su parte, los físicos cuerdistas se acorralan en lo que es fácil de comprobar, es difícil de calcular y lo que es fácil de calcular, es difícil comprobar. En consecuencia, pareciera que el camino que se está siguiendo es pretender desarrollar la teoría más y más, y hacer cálculos cada vez más difíciles de manera de poder predecir cosas que sean fáciles de observar. ¿El camino tendrá tiempo y final? Nadie tiene por ahora la respuesta.

 

Aquella charla … 23-28 Julio, MPI, Múnich, Alemania, a cargo de John H. Schwarz (Caltech), uno de los padres de la teoría de cuerdas, no tuvo desperdicio.

El físico Eugene Wigner escribió un célebre artículo sobre este particular que llevaba por título «La irrazonable efectividad de la matemática en las ciencias físicas». También es un hecho notable que el mundo exterior muestre tantas estructuras susceptibles de descripción en «lenguaje» matemático (sobre todo cuando tales estructuras se alejan mucho de las experiencias cotidianas que moldearon la evolución de nuestros cerebros). Edward Witten, el principal experto en supercuerdas, describe dicha teoría como «una física del siglo XXI que cayó en el siglo XX». Sin embargo, sería más extraordinario que seres humanos de cualquier siglo llegaran a desarrollar una teoría tan «final» y general como pretenden ser las supercuerdas.

Salvo mejor parecer.

 

Emilio Silvera

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    Grandes pensadores quisieron explicar la naturaleza de la luz, trataron de desentrañar sus secretos de mil  maneras. Claro que tuvieron que llegar Planck y Einstein para que hablaran de fotones, los Bosones que la transmite.

Está claro que, los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Dicen que así fue la primera luz del universo

Cuando la luz entra en un cristal, o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical.  La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell.  No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

        Siempre nos gustó hacer experimentos con la luz

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta e las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma. (Las dos refracciones en la misma dirección se originan por que los dos lados del prisma de se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso en una lámina ordinaria de cristal.)

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada.  Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta, en este orden.

Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro”, “fantasma”).

Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades.

Le surgieron y se planteó algunas inquietudes cuestiones. ¿Por qué se refractaban las partículas de luz verde más que los de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbase mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

Titán, la luna de Saturno, contempla la sonda que lleva su nombre

En 1.678, el físico neerlandés Christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar los diversos difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire.  La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción.   Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda mas corta que la luz azul, ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda.  Y, como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna.  (Las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades.)

Peor la teoría de Huyqhens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos; ni por qué proyectaban sombras recortadas; ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua.  Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿Cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las Estrellas? ¿cuál era esa mecánica ondulatoria?

Interferencia: Sonido más sonido en algunos casos puede producir silencio. Esto sucede cuando dos ondas de sonido se superponen destructivamente, igual como se observa en las zonas nodales de una cuerda en vibración. ¿Será posible que en algún caso luz más luz produzca oscuridad? La respuesta es afirmativa. Quien lo demostrara en 1803, en un famoso experimento, fue Thomas Young (1773-1829). Éste consistió en hacer llegar un haz de luz simultáneamente a dos rendijas muy delgadas y muy cercanas, según se ilustra en el siguiente esquema.

Aproximadamente durante un siglo, contendieron entre sí estas teorías. La teoría corpuscular, de Newton, fue, con mucho, la más popular, en parte, porque la respaldó el famoso nombre de su autor.  Pero hacia 1.801, un físico y médico ingles, de nombre Thomas Young, llevó a cabo un experimento que arrastró la opinión pública al campo opuesto.  Proyectó un fino rayo luminoso sobre una pantalla, haciéndolo pasar antes por dos orificios casi juntos.  Si la luz estuviera compuesta por partículas, cuando los dos rayos emergieran de ambos orificios, formarían presuntamente en la pantalla una región más luminosa donde se superpusieran, y regiones menos brillantes, donde no se diera tal superposición.  Pero no fue esto lo que descubrió Young.  La pantalla mostró una serie de bandas luminosas, separadas entre sí por bandas oscuras.  Pareció incluso que, en esos intervalos de sombra, la luz de ambos rayos contribuía a intensificar la oscuridad.

Sería fácil explicarlo mediante la teoría ondulatoria. La banda luminosa representaba el refuerzo presado por las ondas de un rayo a las ondas del otro.  Dicho de otra manera: Entraba “en fase” dos trenes de ondas, es decir, ambos nodos, al unirse, se fortalecían el uno al otro.  Por otra parte, las bandas oscuras representaban puntos en que las ondas estaban “desfasadas” porque el vientre de una neutralizaba el nodo de la otra.  En vez de aunar sus fuerzas, las ondas se interferían mutuamente, reduciendo la energía luminosa neta a las proximidades del punto cero.

Considerando la anchura de las bandas y la distancia entre los dos edificios por los que surgen ambos rayos, se pudo calcular la longitud de las ondas luminosas, por ejemplo, de la luz roja a la violeta o los colores intermedios.  Las longitudes de onda resultaron ser muy pequeñas.  Así, la de la luz roja era de unos 0’000075 cm. (Hoy se expresan las longitudes de las ondas luminosas mediante una unidad muy práctica ideada por Angströn. Esta unidad, denominada, en honor a su autor Ángstrom (Á), es la cienmillonésima parte de un centímetro.  Así, pues, la longitud de onda de la luz roja equivale más o menos a 7.500 Á, y la de la luz violeta, a 3.900 Å, mientras que las de colores visibles en el espectro oscilan entre ambas cifras.)

La cortedad de estas ondas es muy importante. La razón de que las ondas luminosas se desplacen en línea recta y proyecten sombras recortadas se debe a que todas son incomparablemente más pequeñas que cualquier objeto; pueden contornear un obstáculo sólo si éste no es mucho mayor que la longitud de onda. Hasta las bacterias, por ejemplo, tienen un volumen muy superior de una onda luminosa y, por tanto, la luz puede definir claramente sus contornos bajo el microscopio. Sólo los objetos cuyas dimensiones se asemejan a la longitud de la onda luminosa (por ejemplo, los virus y otras partículas submicroscópicas) son lo suficientemente pequeños como para que puedan ser contorneados por las ondas luminosas.

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Agustín Jean Fresnel (1788 – 1827)
Photo: German Museum Munich

Un físico francés, Augustin-Jean Fresnel, fue quien demostró por vez primera, en 1.818, que si un objeto es lo suficientemente pequeño, la onda luminosa lo contorneará sin dificultad. En tal caso, la luz determina el llamado fenómeno de “difracción”.  Por ejemplo, las finísimas líneas paralelas de una “reja de disfracción” actúan como una serie de minúsculos obtáculos, que se refuerzan entre si.  Puesto que la magnitud de la difracción va asociada a la longitud de onda, se produce el espectro.  A la inversa, se puede calcular la longitud de onda midiendo la difracción de cualquier color o porción del espectro, así como la separación de las marcas sobre el cristal.

Fraunhofer exploró dicha reja de difracción con objeto de averiguar sus finalidades prácticas, progreso que suele olvidarse, pues queda eclipsado por su descubrimiento más famoso: los rayos espectrales.  El físico americano Henry Augustus Rowlane ideó la reja cóncava y desarrolló técnicas para regularlas de acuerdo con 20.000 líneas por pulgada.  Ello hizo posible la sustitución del prisma por el espectroscopio.

Ante tales hallazgos experimentales, más el desarrollo metódico y matemático del movimiento ondulatorio, debido a Fresnel, pareció que la teoría ondulatoria de la luz había arraigado definitivamente, desplazando y relegando para siempre a la teoría corpuscular.

  Jacques Babinet

No sólo se aceptó las existencias de ondas luminosas, sino que también se midió su longitud con una precisión cada vez mayor.  Hacia 1.827, el físico francés Jacques Babinet sugirió que se empleara la longitud de onda luminosa (una cantidad física inalterable) como unidad para medir tales longitudes, en vez de las muy diversas unidades ideadas y empleadas por el hombre.  Sin embargo, tal sugerencia no se llevó a la práctica hasta 1.880 cuando el físico germano-americano Albert Abraham Michelson inventó un instrumento, denominado “interferómetro”, que podía medir las longitudes de ondas luminosas con una exactitud sin precedentes. En 1.893, Michelson midió la onda de la raya roja en el espectro del cadmio y determinó que su longitud era de 1/1.553.164 m.

Pero la incertidumbre reapareció al descubrirse que los elementos estaban compuestos por isótopos diferentes, cada uno de los cuáles aportaba una raya cuya longitud de onda difería ligeramente de las restantes.  En la década de 1.930 se midieron las rayas del criptón 86. Como quiera que este isótopo fuera gaseoso, se podía abordar con bajas temperaturas, para frenar el movimiento atómico y reducir el consecutivo engrosamiento de la raya.

                            Tubo de descarga lleno de kriptón puro

En 1.960, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la raya del criptón 86 como unidad fundamental de longitud. Entonces se restableció la longitud de metro como 1.650.763’73 veces la longitud de onda de dicha raya espectral.  Ello aumento mil veces la precisión de las medidas de longitud.  Hasta entonces se había medido el antiguo metro patrón con un margen de error equivalente a una millonésima, mientras que en lo sucesivo se pudo medir la longitud de onda con un margen de error equivalente a una milmillonésima.

Ahora, después de todo esto, sabemos algo más sobre la luz. Pero…,  ¿Qué pasa con su velocidad?

¡Veámoslo!

 La velocidad de la luz, desde hace mucho tiempo, fue un misterio que los estudiosos de la física de la Naturaleza querían desvelar

Lo que sí sabemos es que la luz es muy importante para nosotros, para las plantas, para todo el Universo

Está claro que, la luz se desplaza a enormes velocidades. Si pulsamos el interruptor de apagado de la lámpara de nuestro salón, todo queda a oscuras de manera instantánea y, de la misma manera e inmediata, todo se inunda de luz si con una potente linterna encendida, apuntamos hacia un rincón oscuro.

La velocidad del sonido es más lenta, por ejemplo, si vemos a un leñador que está cortando leña en un lugar alejado de nosotros, sólo oiremos los golpes momentos después de que caiga el hacha.  Así, pues, el sonido tarda cierto tiempo en llegar a nuestros oídos.  En realidad es fácil medir la velocidad de su desplazamiento: unos 1.206 km/h enel aire y a nivel del mar.

            Aquel sistema nunca le podría dar una respuesta fiable

Galileo fue el primero en intentar medir la velocidad de la luz.  Se colocó en lo alto de una colina, mientras que su ayudante, se situaba en otro lugar alto de la colina vecina; luego sacó una linterna encendida: tan pronto como su ayudante vió la luz, hizo una señal con otra linterna.  Galileo repitió el experimento a distancias cada vez mayores, suponiendo que el tiempo requerido por su ayudante para responder mantendría una uniformidad constante, por lo cual, el intervalo entre la señal de su propia linterna y la de su ayudante representaría el tiempo empleado por la luz para recorrer cada distancia.  Aunque la idea era lógica, la luz viajaba demasiado aprisa como para que Galileo pudiera percibir las sutiles diferencias con un método tan rudimentario.

Ole Christensen Rømer (Århus, 25 de septiembre de 1644-Copenhague, 19 de septiembre de 1710)^[1]​ fue un astrónomo danés, famoso por ser la primera persona en determinar la velocidad de la luz en el año 1676 con un valor inicial de 225.000 km/s.

En 1.676, el astrónomo danés Olau Roemer logró cronometrar la velocidad de la luz a escala de distancias astronómicas.  Estudiando los eclipses de Júpiter en sus cuatro grandes satélites, Roemer observó que el intervalo entre eclipses consecutivos era más largo cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, y más corto cuando se movía en su órbita hacía dicho astro.  Al parecer, la diferencia entre las duraciones del eclipse reflejaba la diferencia de distancias entre la Tierra y Júpiter. Y trataba, pues, de medir la distancia partiendo del tiempo empleado por la luz para trasladarse desde Júpiter hasta la Tierra.  Calculando aproximadamente el tamaño de la órbita terrestre y observando la máxima discrepancia en las duraciones del eclipse que, según Roemer, representaba el tiempo que necesitaba la luz para atravesar el eje de al órbita terrestre, dicho astrónomo computó la velocidad de la luz.  Su resultado, de 225.000 km/s., parece excelente si se considera que fue el primer intento, y resultó bastante asombroso como para provocar la incredulidad de sus coetáneos.

Sin embargo, medio siglo después se confirmaron los cálculos de Roemer en un campo totalmente distinto.  Allá por 1.728, el astrónomo británico James Bradley descubrió que las estrellas parecían cambiar de posición con los movimientos terrestres; y no por el paralaje, sino porque la traslación terrestre alrededor del Sol era una fracción mensurable (aunque pequeña) de la velocidad de la luz.  La analogía empleada usualmente es la de un hombre que camina con el paraguas abierto bajo un temporal.  Aun cuando las gotas caigan verticalmente, el hombre debe inclinar hacia delante el paraguas, porque ha de abrirse paso entre las gotas.

     James Bradley descubrió la aberración estelar

Cuanto más acelere su paso, tanto más deberá inclinar el paraguas.  De manera semejante la Tierra avanza entre los ligeros rayos que caen desde las estrellas, y el astrónomo debe inclinar un poco su telescopio y hacerlo en varias direcciones, de acuerdo con los cambios de la trayectoria terrestre (no olvidemos que nuestro planeta Tierra, es como una enorme nave espacial que nos lleva en un viaje eterno, alrededor del Sol, a la velocidad de 30 km/s. + -) Mediante ese desvío aparente de los astros (“aberración de la luz”), Bradley pudo evaluar la velocidad de la luz y calcularla con gran precisión.

Sus cálculos fueron de 285.000 km/s, bastante más exacto que los de Roemer, pero aún un 5’5% más bajos. Poco a poco, con medios tecnológicos más sofisticados y más conocimientos matemáticos, los científicos fueron obteniendo medidas más exactas aún, conforme se fue perfeccionando la idea original de Galileo y sus sucesores.

En 1.849, el físico francés Armand-Hippolyte-Louis Eizeau ideó un artificio mediante el cual se proyectaba la luz sobre un espejo situado a 8 km de distancia, que devolvía el reflejo al observador.  El tiempo empleado por la luz en su viaje de ida y vuelta no rebasó apenas la 1/20.000 de segundo, por Fizeau logró medirlo colocando una rueda dentada giratoria en la trayectoria del rayo luminoso.  Cuando dicha rueda giraba a cierta velocidad, regulada, la luz pasaba entre los dientes y se proyectaba contra el siguiente, al ser devuelta por el espejo; así, Fizeau, colocado tras la rueda, no pudo verla.  Entonces se dio más velocidad a la rueda, y el reflejo pasó por la siguiente muesca entre los dientes, sin intercepción alguna. De esa forma, regulando y midiendo la velocidad de la rueda giratoria, Fizeau pudo calcular el tiempo transcurrido y, por consiguiente, la velocidad a que se movía el rayo de luz.

Un año más tarde, Jean Foucault (quien realizaría poco después su experimento con los péndulos) precisó más estas medidas empleando un espejo giratorio en ve de una rueda dentada.  Entonces se midió el tiempo transcurrido desviando ligeramente el ángulo de reflexión mediante el veloz espejo giratorio.  Foucault obtuvo un valor de la velocidad de la luz de 300.883 km/s.  También, el físico francés utilizó su método para determinar la velocidad de la luz a través de varios líquidos.  Averiguó que era notablemente inferior a la alcanzada en el aire.  Esto concordaba también con la teoría ondulatoria de Huyghens.

Michelson y su Interferómetro

Michelson fue más preciso aún en sus medidas.  Este autor, durante cuarenta años largos, a partir de 1.879, fue aplicando el sistema Fizeau-Foucault cada vez con mayor refinamiento, para medir la velocidad de la luz.  Cuando se creyó lo suficientemente informado, proyectó la luz a través de vacío, en vez de hacerlo a través del aire, pues este frena ligeramente su velocidad, y, empleó para ello tuberías de acero cuya longitud era superior a 1’5 km.  Según sus medidas, la velocidad de la luz en el vacío era de 299.730 km(seg. (sólo un 0’006% más bajo).  Demostraría también que todas las longitudes de ondas luminosas viajan a la misma velocidad en el vacío.

En 1.972, un equipo de investigadores bajo la dirección de Kenneth M. Eveson efectuó unas mediciones aún más exactas y vio que la velocidad de la luz era de 299.727’74 km/seg. Una vez se conoció la velocidad de la luz con semejante precisión, se hizo posible usar la luz, o por lo menos formas de ella, para medir distancias.

Aunque para algunos resulte alto tedioso el tema anterior, no he podido resistirme a la tentación de exponerlo, así podrá saber algo más sobre la luz y, habrán conocido a personajes que hicieron posible el que ahora nosotros, la conozcamos mejor.

La Luz y sus múltiples aplicaciones

Paerícula y onda

Podría continuar, hasta el final de este trabajo, hablando de la luz y sus distintas formas o aplicaciones: ondas de luz a través del espacio, de cómo se transmite la luz en el “vacío”, nos llega a través del espacio desde Galaxias situadas a miles de millones de años luz; las líneas de fuerzas electromagnéticas de Faraday y Maxwell de campos eléctricos y magnéticos cambiantes (todo ello explicado en un simple conjunto de cuatro ecuaciones, que describían casi todos los fenómenos referentes a esta materia electromagnética), o de los enigmas aún por descubrir (aunque predichos).

Ahora, en Física, se dice que la luz es una forma de radiación electromagnética a la que el ojo humano es sensible y sobre la cual depende nuestra consciencia visual del universo y sus contenidos.

Aparte de todo lo que antes hemos explicado, no sería justo finalizar el trabajo sin exponer aquí que, en 1905, Albert Einstein, inspirado en el cuanto de Planck, realizó un importante avance en el conocimiento de lo que es la luz. Demostró que el Efecto fotoeléstrico sólo podía ser explicado con la hipótesis de que la luz consiste en un chorro de fotones de energía electromagnética discretos. Aquello le valió el Nobel de Física y… ¡Le hurtaron otros dos por las dos partes de su teoría de la relatividad! Una revolución que lo cambió todo y que nunca podremos pagarle.

El conflicto entre la teoría ondulatoria y corpuscular de la luz fue resuelto con la evolución de la teoría cuántica y la mecánica ondulatoria que ha dejado claro que, los electrones y las otras partículas elementales tienen propiedades duales de partículas y onda.

sería mucho más largo, pero creo que está bien con lo dicho.

El Universo fue opaco porque los fotones estaban confinados, y, cuando algún tiempo después quedaron liberados, el universo se hizo transparente, la luz lo inundaba rodo. Precisamente es ese acontecimiento el que le impide a los grandes telescopios espaciales, llegar al Fondo del Universo, si no había luz para captar imágenes… Las más lejanas en el Tiempo que se han podido captar, estaban situadas a 13.000.000 de años luz, es decir, que existe una zona más allá que es nescrutable, está en el límite de Planck, de ese lugar no podemos mpasar y, difícilmente podremos comprobar que el Bib Bang existió.

Emilio Silvera V.

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Hablamos de Física y, la constante de Planck en sus dos versiones, h y ħ; la igualdad masa-energía de Einstein; la Constante gravitacional de Newton, la constante de estructura fina (137); o, el radio del electrón.

¡ Me encantan sus mensajes !

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha dado la Humanidad, en el campo de la Física.

En poco más o menos, un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad a una claridad, no cegadora aún, pero sí, aceptable.  Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y, el ritmo, parece que se mantiene a un nivel muy elevado.

¡ El Tiempo !, ese preciado bien, está a nuestro favor.  Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas.

Pongamos nuestras esperanzas en que no seamos tan irresponsables como para estropearlo todo.

Las voces de Emi y Alicia, en una de sus innumerables discusiones, me distraen.  Me concentro y consigo aislarme, ya estoy en otro lugar, todo tranquilo.

Con niños alrededor y la algarabía que generan, es difícil concentrarse en complejidades

Ahora puedo pensar en mis cosas de la Física, de la Astronomía, la Gravedad o el electromagnetismo.

Cuestiones sencillas de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente.  Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.  No siempre lo consigo.

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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^-43 segundos.  En la cosmología del Big Bang, hasta un tiempo de Planck después del instante inicial (en este punto hay que aclarar que, los grandes telescopios espaciales como el James West, alcanzan hasta llegar a los 13.500 millones de años hacia atrás, es decir, hasta el tiempo de Planck, más allá, no había luz, los fotones no se habían liberado, y, como los grandes telescopios,  lo que hacen es recoger la luz que nos pueden llegar de las estrellas y las galaxias, al estar la luz ausente… ¡Nada se puede captar), 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.

      ¿El Tiempo? Muchos Filósofos lo quisieron explicar pero… ¡No pudieron!

Si preguntamos ¿Qué es el tiempo?, tendríamos que ser precisos y especificar si estamos preguntando por esa dimensión temporal que no deja de fluir desde el Big Bang y que nos acompaña a lo largo de nuestras vidas, o nos referimos al tiempo atómico, ese adoptado por el SI, cuya unidad es el segundo y se basa en las frecuencias atómicas, definida a partir de una línea espectral particular de átomo de cesio 133, o nos referimos a lo que se conoce como tiempo civil, tiempo coordinado, tiempo de crecimiento, tiempo de cruce, tiempo de integración, tiempo de relajación, tiempo dinámico o dinámico baricéntrico, dinámico terrestre, tiempo terrestre, tiempo de Efemérides, de huso horario, tiempo estándar, tiempo local, tiempo luz, tiempo medio, etc. etc.  Cada una de estas versiones del tiempo, tiene una respuesta diferente, ya que, no es lo mismo el tiempo propio que el tiempo sidéreo o el tiempo solar, o solar aparente, o solar medio, o tiempo terrestre, o tiempo Universal.  Como se puede ver, la respuesta dependerá de cómo hagamos la pregunta.

… Y que el mismo tiempo suele borrar

En realidad, para todos nosotros el único tiempo que rige es el que tenemos a lo largo de nuestras vidas, los otros tiempos, son inventos del hombre para facilitar sus tareas de medida, de convivencia o de otras cuestiones técnicas o astronómicas pero, sin embargo, el tiempo es solo uno; ese que comenzó cuando nació el Universo y que finalizará cuando este llegue a su final.

Lo cierto es que, para las estrellas supermasivas, cuando llegan al final de su ciclo y deja de brillar por agotamiento de su combustible nuclear, en ese preciso instante, el tiempo se agota para ella.  Cuando una estrella pierde el equilibrio existente entre la energía termonuclear (que tiende a expandir la estrella), y, la fuerza de gravedad (que tiende a comprimirla), al quedar sin oposición esta última, la estrella supermasiva se contrae aplastada bajo su propia masa.  Queda comprimida hasta tal nivel que llega un momento que desaparece,  para convertirse en un Agujero Negro, una singularidad, donde dejan de existir el “tiempo” y el espacio.  A su alrededor nace un horizonte de sucesos que, si se traspasa, se es engullido por la enorme gravedad del Agujero Negro.

    En la singularidad no se distorsiona, se para

El tiempo, de ésta manera, deja de existir en estas regiones del Universo que conocemos como singularidad.  El mismo Big Bang -dicen- surgió de una singularidad de energía y densidad infinitas que, al explotar, se expandió y creó el tiempo, el espacio y la materia.

Como contraposición a estas enormes densidades de las enanas blancas, estrellas de neutrones y Agujeros Negros, existen regiones del espacio que contienen menos galaxias que el promedio o incluso ninguna galaxia; a estas regiones las conocemos como vacío cósmico.  Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del Universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala.  Estas regiones son a menudo esféricas.  El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra aproximadamente a 500 millones de años luz de la Vía Láctea.  La existencia de grandes vacíos no es sorprendente, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes.

Mientras que en estas regiones la materia es muy escasa, en una sola estrella de neutrones, si pudiéramos retirar 1 cm³ de su masa, obtendríamos una cantidad de materia increíble.  Su densidad es de 10¹⁷ kg/m³, los electrones y los protones están tan juntos que se combinan y forman neutrones que se degeneran haciendo estable la estrella de ese nombre que, después del agujero negro, es el objeto estelar más denso del Universo.

Es interesante ver cómo a través de las matemáticas y la geometría, han sabido los humanos encontrar la forma de medir el mundo y encontrar las formas del Universo.  Pasando por Arquímedes, Pitágoras, Newton, Gauss o Riemann (entre otros), siempre hemos tratado de buscar las respuestas de las cosas por medio de las matemáticas.

“Magia es cualquier tecnología suficientemente avanzada”

Arthur C. Clarke

Pero también es magia el hecho de que, en cualquier tiempo y lugar, de manera inesperada, aparezca una persona dotada de condiciones especiales que le permiten ver, estructuras complejas matemáticas que hacen posible que la Humanidad avance considerablemente a través de esos nuevos conceptos que nos permiten entrar en espacios antes cerrados, ampliando el horizonte de nuestro saber.

Recuerdo aquí uno de esos extraños casos que surgió el día 10 de Junio de 1.854 con el nacimiento de una nueva geometría: La teoría de dimensiones más altas que fue introducida cuando Georg Friedrich Bernhard Riemann dio su célebre conferencia en la facultad de la Universidad de Gotinga en Alemania.  Aquello fue como abrir de golpe, todas las ventanas cerradas durante 2.000 años, de una lóbrega habitación que, de pronto, se ve inundada por la luz cegadora de un Sol radiante.  Riemann regaló al mundo las sorprendentes propiedades del espacio multidimensional.

Su ensayo de profunda importancia y elegancia excepcional, “sobre las hipótesis que subyacen en los fundamentos de la geometría” derribó pilares de la geometría clásica griega, que habían resistido con éxito todos los asaltos de los escépticos durante dos milenios.  La vieja geometría de Euclides, en la cual todas las figuras geométricas son de dos o tres dimensiones, se venía abajo, mientras una nueva geometría riemanniana surgía de sus ruinas.  La revolución riemanniana iba a tener grandes consecuencias para el futuro de las artes y las ciencias.  En menos de tres decenios, la “misteriosa cuarta dimensión” influiría en la evolución del arte, la filosofía y la Literatura en toda Europa.  Antes de que hubieran pasado seis decenios a partir de la conferencia de Riemann, Einstein utilizaría la geometría riemanniana tetradimensional para explicar la creación del Universo y su evolución mediante su asombrosa teoría de la relatividad general Ciento treinta años después de su conferencia, los físicos utilizarían la geometría deca-dimensional para intentar unir todas las leyes del Universo.  El núcleo de la obra de Riemann era la comprensión de las leyes físicas mediante su simplificación al contemplarlas en espacios de más dimensiones.

Contradictoriamente, Riemann era la persona menos indicada para anunciar tan profunda y completa evolución en el pensamiento matemático y físico.  Era huraño, solitario y sufría crisis nerviosas.  De salud muy precaria que arruinó su vida en la miseria abyecta y la tuberculosis.

Riemann nació en 1.826 en Hannover, Alemania, segundo de los seis hijos de un pobre pastor luterano que trabajó y se esforzó como humilde predicador  para alimentar a su numerosa familia que, mal alimentada, tendrían una delicada salud que les llevaría a una temprana muerte.  La madre de Riemann también murió antes de que sus hijos hubieran crecido.

A edad muy temprana, Riemann mostraba ya los rasgos que le hicieron famoso: increíble capacidad de cálculo que era el contrapunto a su gran timidez y temor a expresarse en público.  Terriblemente apocado era objeto de bromas de otros niños, lo que le hizo recogerse aún más en un mundo matemático intensamente privado que le salvaba del mundo hostil exterior.

Para complacer a su padre, Riemann se propuso hacerse estudiante de teología, obtener un puesto remunerado como pastor y ayudar a su familia.  En la escuela secundaria estudió la Biblia con intensidad, pero sus pensamientos volvían siempre a las matemáticas.  Aprendía tan rápidamente que siempre estaba por delante de los conocimientos de sus instructores, que encontraron imposible mantenerse a su altura.  Finalmente, el director de la escuela dio a Riemann un pesado libro para mantenerle ocupado.  El libro era la Teoría de números de Adrien-Marie Legendre, una voluminosa obra maestra de 859 páginas, el tratado más avanzado del mundo sobre el difícil tema de la teoría de números.  Riemann devoró el libro en seis días.

Cuando el director le preguntó: “¿Hasta dónde has leído?”, el joven Riemann respondió: “Este es un libro maravilloso. Ya me lo sé todo”.

Sin creerse realmente la afirmación de su pupilo, el director le planteó varios meses después cuestiones complejas sobre el contenido del libro, que Riemann respondió correctamente.

Con mil sacrificios, el padre de Riemann consiguió reunir los fondos necesarios para que, a los 19 años pudiera acudir a la Universidad de Gotinga, donde encontró a Carl Friedrich Gauss, el aclamado por todos “Príncipe de las Matemáticas”, uno de los mayores matemáticos de todos los tiempos.   Incluso hoy, si hacemos una selección por expertos para distinguir a los matemáticos más grandes de la Historia, aparecerá indudablemente Euclides, Arquímedes, Newton y Gauss.

Hannover, Alemania

Los estudios de Riemann no fueron un camino de rosas precisamente.  Alemania sacudida por disturbios, manifestaciones y levantamientos, fue reclutado en el cuerpo de estudiantes para proteger al rey en el palacio real de Berlín y sus estudios quedaron interrumpidos.

En aquel ambiente el problema que captó el interés de Riemann, fue el colapso que, según el pensaba, suponía la geometría euclidiana, que mantiene que el espacio es tridimensional y “plano” (en el espacio plano, la distancia más corta entre dos puntos es la línea recta; lo que descarta la posibilidad de que el espacio pueda estar curvado, como en una esfera).

Para Riemann, la geometría de Euclides era particularmente estéril cuando se la comparaba con la rica diversidad del mundo.  En ninguna parte vería Riemann las figuras geométricas planas idealizadas por Euclides.  Las montañas, las olas del mar, las nubes y los torbellinos no son círculos, triángulos o cuadrados perfectos, sino objetos curvos que se doblan y retuercen en una diversidad infinita.  Riemann, ante aquella realidad se rebeló contra la aparente precisión matemática de la geometría griega, cuyos fundamentos., descubrió el, estaban basados en definitiva sobre las arenas movedizas del sentido común y la intuición, no sobre el terreno firme de la lógica y la realidad del mundo.

Euclides nos habló de la obviedad de que un punto no tiene dimensión.  Una línea tiene una dimensión: longitud.  Un plano tiene dos dimensiones: longitud y anchura.  Un sólido tiene tres dimensiones: longitud, anchura y altura.   Y allí se detiene.  Nada tiene cuatro dimensiones, incluso Aristóteles afirmó que la cuarta dimensión era imposible.  En Sobre el cielo, escribió: “La línea tiene magnitud en una dirección, el plano en dos direcciones, y el sólido en tres direcciones, y más allá de éstas no hay otra magnitud porque los tres son todas.”  Además, en el año 150 d. C. el astrónomo Ptolomeo de Alejandría fue más allá de Aristóteles y ofreció, en su libro sobre la distancia, la primera “demostración” ingeniosa de que la cuarta dimensión es imposible.

https://youtu.be/2qaJ6A1nx9M

En realidad, lo único que Ptolomeo demostraba era que, era imposible visualizar la cuarta dimensión con nuestros cerebros tridimensionales (de hecho, hoy sabemos que muchos objetos matemáticos no pueden ser visualizados, aunque puede demostrarse que en realidad, existen).  Ptolomeo puede pasar a la Historia como el hombre que se opuso a dos grandes ideas en la ciencia: el sistema solar heliocéntrico y la cuarta dimensión.

La ruptura decisiva con la geometría euclidiana llegó cuando Gauss pidió a su discípulo Riemann que preparara una presentación oral sobre los “fundamentos de la geometría”.  Gauss estaba muy interesado en ver si su discípulo podía desarrollar una alternativa a la geometría de Euclides.

Riemann desarrolló su teoría de dimensiones más altas.

Parte real (rojo) y parte imaginaria (azul) de la línea crítica Re(s) = 1/2 de la función zeta de Riemann. Pueden verse los primeros ceros no triviales en Im(s) = ±14,135, ±21,022 y ±25,011. La hipótesis de Riemann, por su relación con la distribución de los números primos en el conjunto de los naturales, es uno de los problemas abiertos más importantes en la matemática contemporánea.

Finalmente, cuando hizo su presentación oral en 1.854, la recepción fue entusiasta.  Visto en retrospectiva, esta fue, sin discusión, una de las conferencias públicas más importantes en la historia de las matemáticas.  Rápidamente se entendió por toda Europa la noticia de que Riemann había roto definitivamente los límites de la geometría de Euclides que había regido las matemáticas durante los milenios.

Riemann creó el tensor métrico para que, a partir de ese momento, otros dispusieran de una poderosa herramienta que les hacía posible expresar a partir del famoso teorema de Pitágoras (uno de los grandes descubrimientos de los griegos en matemáticas que establece la relación entre las longitudes de los tres lados de un triángulo rectángulo: afirma que la suma de los cuadrados de los lados menores es igual al cuadrado del lado mayor, la hipotenusa; es decir, si a y b son los longitudes de los dos catetos, y c es la longitud de la hipotenusa, entonces a² + b² = c².  El teorema de Pitágoras, por supuesto, es la base de toda la arquitectura; toda estructura construida en este planeta está basada en él.  Claro que, es una herramienta para utilizar en un mundo tridimensional.)

La Teoría de la Relatividad General aprovechó el Tensor de Riemann para su desarrollo

El tensor métrico de Riemann, o N dimensiones, fue mucho más allá y podemos decir que es el teorema para dimensiones más altas con el que podemos describir fenómenos espaciales que no son planos, tales como un remolino causado en el agua o en la atmósfera, como por ejemplo también la curvatura del espacio en presencia de grandes masas.  Precisamente, el tensor de Riemann, permitió a Einstein formular su teoría de la gravedad y, posteriormente lo utilizo Kaluza y Klein para su teoría en la quinta dimensión de la que años más tarde se derivaron las teorías de super-gravedad, supersimetría y, finalmente las supercuerdas.

Para asombro de Einstein, cuando tuvo ante sus ojos la conferencia de Riemann de 1.854, que le había enviado su amigo Marcel Grossman, rápidamente se dio cuenta de que allí estaba la clave para resolver su problema.  Descubrió que podía incorporar todo el cuerpo del trabajo de Riemann en la reformulación de su principio.  Casi línea por línea, el gran trabajo de Riemann encontraba su verdadero lugar en el principio de Einstein de a relatividad general.  Esta fue la obra más soberbia de Einstein, incluso más que su celebrada ecuación E=mc².  La reinterpretación física de la famosa conferencia de Riemann se denomina ahora relatividad general, y las ecuaciones de campo de Einstein se sitúan entre las ideas más profundas de la historia de la ciencia.

Emilio Silvera Vázquez

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