En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la Naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el Universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”. La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.
Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros. Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen.
El número máximo de bits de información que pese almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado. Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.
Einstein fue muy afortunado, ya que, durante la última parte del siglo XIX, en Alemania e Italia matemáticos puros habían estado inmersos en el estudio profundo y detallado de todas las geometrías posibles sobre superficies curvas. Habían desarrollado un lenguaje matemático que automáticamente tenía la propiedad de que toda la ecuación poseía una forma que se conservaba cuando las coordenadas que la describían se cambiaban de cualquier manera. Este lenguaje se denominaba cálculo tensorial. Tales cambios de coordenadas equivalen a preguntar qué tipo de ecuación vería alguien que se moviera de una manera diferente.
Einstein se quedó literalmente paralizado al leer la Conferencia de Riemann. Allí, delante de sus propios ojos tenía lo que Riemann denominaba Tensor métrico. Einstein se dio cuenta de que era exactamente lo que necesitaba para expresar de manera precisa y exacta sus ideas. Así se pudo hacer posible la teoría de la relatividad general.
Einstein pudo expresar su principio de covariancia expresando sus leyes de la Naturaleza como ecuaciones tensoriales, que poseían automáticamente la misma forma para todos los observadores.
Este paso de Einstein completó un movimiento espectacular en la concepción física de la naturaleza que ha sido completado en el siglo XX. Está marcado por una evolución que se aleja continuamente de cualquier visión privilegiada del mundo, sea una visión humana, basada en la Tierra, o una visión basada en patrones humanos, la naturaleza tiene sus propios patrones.
Está claro que pensar siquiera en que en nuestro Universo, dependiendo de la región en la que nos encontremos, habrá distintos leyes físicas, sería pensar en un Universo Chapuza. Lo sensato es pensar como Einstein y creer que en cualquier parte del Universo rigen las mismas leyes físicas, hasta que no se encuentre pruebas reales a favor de lo contrario, los científicos suponen con prudencia que, sea cual fueren las causas responsables de las pautas que llamamos “Leyes de la Naturaleza”, es mucho más inteligente adoptar la creencia de la igualdad física en cualquier parte de nuestro Universo por muy remota que se encuentre, los elementos primordiales que lo formaron fueron siempre los mismos.
En lo más profundo de la materia, el movimiento es inevitable
Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.
El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).
Un electrón es una partícula subatómica de carga negativa. Puede ser libre (no conectado a un átomo, o conexionado al núcleo de un átomo.
Aunque el electrón fue descubierto en 1897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto. Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10-31 kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico: no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos masiva que el electrón (o positrón) y que lleve una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.
El electrón está presente en infinidad de sucesos que no serían sin su presencia
Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo. El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.
¡No por pequeño, se es insignificante!
Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.
“En 1905, un oscuro empleado de la Oficina de Patentes de Berna publicó cinco artículos científicos que sentaron las bases de la física de nuestro tiempo. Albert Einstein tenía 25 años. A pesar de la importante repercusión de estos estudios, siguió trabajando como examinador de patentes.”
Efecto fotoeléctrico
Fue por esta investigación, publicada en junio de 1905, que Einstein ganó el premio Nobel de Física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad).
Este estudio le valió su doctorado en la Universidad de Zúrich, en Suiza.
Varios autores lo consideran como parte del “año milagroso” porque Einstein terminó de escribirlo en abril de 1905 y lo envió a Annalen der Physik en agosto, pero fue publicado en enero de 1906, después de corregir algunos cálculos.
En esta investigación, Einstein desarrolló un método de dos ecuaciones para medir el tamaño y la masa de las moléculas.
Las ecuaciones se valían de datos sobre la viscosidad (resistencia que ofrece un líquido a la acción de fluir) y la difusión de partículas de azúcar en agua, para despejar las dos variables que buscaba: el tamaño de las moléculas y el número que hay de ellas (conocido como el número de Avogadro).
“Su tesis se convertiría en uno de sus trabajos más citados y de mayor utilidad práctica, con aplicaciones en ámbitos tan diversos como la mezcla de cemento, la producción de leche y la fabricación de aerosoles”, señala Isaacson en la biografía del físico.
Movimiento browniano
En 1827 Robert Brown, un botánico escocés, observó en el microscopio que unas partículas de polen llamadas amiloplastos se movían aleatoriamente cuando estaban suspendidas en agua, sin seguir un patrón definido. Pero no supo explicar por qué.
Este misterioso movimiento pasó a ser conocido como “movimiento browniano”.
Albert Einstein, hace un siglo, pensaba que era imposible medir la velocidad elocidad resultado confirma, como es de esperar, predicción teórica de Einstein (realizada en 1907). Raizen y su grupo han logrado demostrar experimentalmente el teorema de equipartición de la energía para partículas en movimiento browniano, uno de los principios fundamentales de la mecánica estadística (el teorema afirma que la velocidad cinética de estas partículas depende sólo de la temperatura y no de su forma, tamaño o masa).
En su investigación, publicada en 1905, Einstein dijo que las partículas suspendidas se movían al ser colisionadas por pequeñas partículas del agua, que a su vez se movían por efecto del calor, un fenómeno de la termodinámica.
Mientras más calor haya, más se mueven las partículas, que no serían otra cosa que átomos y moléculas de agua.
Esta explicación de Einstein sirvió como una prueba de la existencia de los átomos, que en esa época todavía no estaba completamente confirmada.
Electrodinámica de los cuerpos en movimiento o “relatividad especial”
Quizá este artículo, publicado en septiembre de 1905, sea el más famoso de los cinco que escribió en el “año milagroso”.
Einstein contaba que el origen de su trabajo sobre la relatividad especial se remontaba a un problema que él mismo se había planteado a los 16 años: ¿Cómo se vería un rayo de luz si uno viajara al lado de este a su misma velocidad?, cuenta Isaacson en la biografía del físico.
Principio de la relatividad: Las leyes de la electrodinámica y de la óptica serán igualmente válidas para todos los sistemas de referencia en los cuáles se cumplan las leyes de la mecánica (sistemas inerciales, que se mueven con velocidad constante).
La luz se propaga siempre en el espacio vacío con una velocidad definida, independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.
El concepto de “simultaneidad” se vuelve relativo:
Sucesos que ocurren en el mismo lugar pero en diferentes tiempos en un sistema, ocurren en diferentes lugares cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
Sucesos que ocurren al mismo tiempo pero en diferentes lugares de un sistema, ocurren en diferentes tiempos cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
Sucesos que ocurren en el mismo lugar y al mismo tiempo serán simultáneos para todos los observadores.
El concepto de “sistema de referencia” produce efectos en el espacio y en el tiempo:
Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de longitud de los objetos que se mueven con otro sistema se acortan (contracción de la longitud).
Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de tiempo entre los sucesos que se producen en otro sistema se alargan (dilatación del tiempo).
Estos efectos aparentes no existen para el sistema propio de cada observador y van desapareciendo a medida que la velocidad del movimiento disminuye respecto a la velocidad de la luz.
Los cinco trabajos que Einstein escribió en 1905 y que publicó en la revista Annalen der Physik tratan sobre problemas relacionados con tres grandes ramas de la física de esa época: la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica, dice Dennis Lehmkuhl, editor científico de Einstein Papers Project, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), a BBC Mundo.
Equivalencia de la masa y energía
En esta investigación, publicada en noviembre de 1905, Einstein presentó la fórmula E=mc², que es tal vez la ecuación más famosa del mundo, aunque no necesariamente sea la más fácil de entender.
En una carta enviada a Habitch, entre junio y septiembre de 1905, Einstein se refiere a este estudio, aunque reconoce que duda de sus resultados.
“E” es por energía, “m” es por masa y la “c” con un dos simboliza la velocidad de la luz al cuadrado.
“Una consecuencia del estudio de la electrodinámica (relatividad especial) cruzó mi mente. El principio de la relatividad, junto con las ecuaciones de Maxwell, requieren que la masa sea una medida directa de la energía contenida en un cuerpo. La luz transporta masa con ella”, le dice a su amigo.
“La idea es divertida y seductora pero hasta donde sé, Dios podría estar riéndose de todo el asunto y podría muy bien haberme tomado el pelo”, añade.
Sin embargo, Einstein tenía razón. En la fórmula que propuso, “E” es por energía, “m” es por masa y “c”, por la velocidad de la luz (300.000 km/s) al cuadrado.
El aumento de energía causa un aumento directamente proporcional en la masa. En otras palabras, al viajar más rápido y aumentar la energía, la masa crece, y mientras más masa tiene un objeto, más difícil es acelerar, por lo que nada puede alcanzar la velocidad de la luz.
Esta fórmula completó la teoría de la relatividad especial.
“El brote de creatividad de Einstein en 1905 resultó asombroso”, escribe Isaacson.
Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc2. Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c2) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía. Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química. La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.
Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza. Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.
Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra. El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX. Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.
Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.
Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor. Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.
¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?
Esta fue la semilla que sembró Planck para que creciera el árbol de la mecánica cuántica
Cuando, a finales del siglo XIX, un joven Max Planck expresó ante un profesor de física su deseo de dedicarse a la disciplina, recibió la respuesta de que ya no quedaban grandes cosas por aprender: a lo más a lo que podía aspirar un físico en aquella época era a clarificar algunos detalles menores. Sin embargo, Planck no se dejó amedrentar. Pocos años después, sus investigaciones daban el pistoletazo de salida a la mecánica cuántica y, con ello, contribuyeron a cambiar para siempre la imagen del mundo.
Constante universal, igual a 6.55×10–27 ergios por segundo. El cuanto de acción es la magnitud fundamental, descubierta por Planck (1900), de la mecánica cuántica.
¿Destruyen los agujeros negros la información? ¿Tiene el universo más dimensiones? ¿Cuál es el destino del cosmos? Diez preguntas fundamentales que siguen espoleando la imaginación de los físicos.
Los agujeros negros pueden describirse como pozos oscuros que tragan para siempre todo lo que cae en ellos. Hace tiempo que los astrónomos cuentan con indicios claros de su existencia. Sin embargo, su descripción última en términos físicos sigue siendo todo un misterio.
Sin la gravedad nuestro universo no existiría. Sus efectos resultan obvios: se trata de la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra, la que hace que los planetas giren alrededor del Sol y la que cohesiona las galaxias. Sin embargo, los mecanismos que subyacen a esta interacción fundamental siguen siendo un misterio. No hemos sido capaces de localizar a la partícula mediadora, el Bosón llamado Gravitón (si en realidad existe).
El espacio ordinario tiene tres dimensiones: arriba-abajo, adelante-atrás e izquierda-derecha. Sin embargo, nada impide que tenga más. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice un espacio-tiempo de diez dimensiones: nueve más el tiempo, algo imposible de visualizar pero perfectamente posible desde el punto de vista matemático. De hecho, la idea de que el universo podría tener más dimensiones de las que podemos ver no es nueva, sino que se remonta a los años veinte del siglo pasado.
La Teoría de Kaluza-Klein lo comenzó todo al imaginar la quinta dimensión en una teoría que unía la teoría de Einstein con la de Maxwell. Se ha llegado a la Teoría M que recoge todos las demás, y, para verificarla se necesita la energía de Planck (1019 GeV) que, está fuera del alcance de la Humanidad.
Los cuerpos celestes que nos son familiares no constituyen más que una pequeña fracción de todo lo que existe. Según todas las observaciones y modelos, la radiación y la materia que conocemos (la luz y los átomos que componen los planetas, las estrellas y todo lo demás que podemos ver) apenas darían cuenta del 5 por ciento del contenido energético total del universo. El resto se compone de dos agentes de naturaleza desconocida, conocidos como materia oscura y energía oscura.
(Se debería decir… “El resto parece que se compone de…”
Una teoría unificada
Numerosos físicos, Einstein incluido (se pasó los últimos 30 años de su vida buscándola), han soñado con la posibilidad de formular una teoría a partir de la cual pudieran derivarse todas las leyes de la naturaleza. Y aunque hasta ahora todos los intentos al respecto han sido infructuosos, no pocos investigadores se hallan convencidos de que semejante teoría final debería existir (soñar no cuesta mucho).
Temperatura del Cero absoluto (-273,15 grados centígrados), ni los átomos se moverán, será el fin del Universo.
Aunque la temperatura más alta que puede alcanzar la materia se calcula en casi 1.420 quintillones de grados centígrados —la llamada Temperatura de Planck—, el límite del frío máximo nos queda mucho más próximo: el cero absoluto, cero kelvins en el sistema internacional de unidades, se estima en -273,15 grados.
Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyen para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo actual; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte. Pero, ¿qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.
Partículas
El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.
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Inocentes como ellos
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por Emilio Silvera ~
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