Representación de las escalas relativas del sistema Solar, el Grupo Local de galaxias y el Supercúmulo Local.

No pocas veces pronunciamos la palabra UNIVERSO sin ser conscientes de la grandeza que esa simple frase abarca. El Universo es todo lo que existe, incluyendo el espacio, el tiempo y la materia y toda esa inmensidad que va desde lo microscópico hasta las más grandes estructuras de los cúmulos de galaxias y, no podemos olvidar que, dentro de todo ese inconmensurable “TODO”, también está presente la VIDA, como una singularidad muy especial de la Naturaleza de la que forma parte a través de la evolución de la materia-energía y del espacio-tiempo que así llegó a facilitar tan extraordinaria transición de fase.

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 recree 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 y la repulsión. 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, h, c, G y masa del protón.

α = 2πe2 / hc ≈ 1/137
αG = (Gmp2)2 / hc ≈ 10-38

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como α (alfa) y αG, 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.

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 sólo 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.

      ¿Lo que podremos conseguir en el futuro? Ni podemos llegar a imaginarlo, ¡es tan poderosa nuestra mente!

Pero de momento, nuestra ignorancia es grande y poco tendríamos que buscar para poner, no uno sino millones de ejemplos. Lederman en su libro La Partícula Divina, nos decía:

“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 sólo 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. Tanta palabrería y numerología no significan otra cosa sino que ese solo numero, 137, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón, e-), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y la teoría cuántica (la constante de Planck, h). α = 2πe2 hc =  137

Lo más notable de este número es su 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 h/2π = 1’054589×10 julios segundo; la altura de mi hijo emilio, el peso de mi amigo Kike, 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 solo: se escribe desnudo a donde va.

                                  Arriba la imagen de uno de los llamados “Grises” de los que dicen que somos nosotros mismos en el futuro.

Esto quiere decir que los científicos del undécimo planeta de una estrella lejana situada en un sistema solar de la galaxia Andrómeda, aunque utilicen dios sabe qué unidades para la carga del electrón y la velocidad de la luz y qué versión utilicen para la constante de Planck, 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 Heisember (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?

Esperemos que algún día aparezca alguien que, con la intuición, el talento y el ingenio de Galileo, Newton o Einstein, nos pueda por fin aclarar el misterioso número y las verdades que encierra. Menos perturbador sería que la relación de todos estos importantes conceptos (e-, h y c) hubieran resultado ser 1 ó 3 o un múltiplo de pi… pero ¿137?

Arnold Sommerfeld percibió que la velocidad de los electrones en el átomo de hidrógeno es una fracción considerable de la velocidad de la luz, así que había que tratarlos conforme a la teoría de la relatividad. Vio que donde la teoría de Bohr predecía una órbita, la nueva teoría predecía dos muy próximas.

Esto explica el desdoblamiento de las líneas. Al efectuar sus cálculos, Sommerfeld introdujo una “nueva abreviatura” de algunas constantes. Se trataba de 2πe2 / hc, que abrevió con la letra griega “α” (alfa). No prestéis atención a la ecuación. Lo interesante es esto: cuando se meten los números conocidos de la carga del electrón, e-, la constante de Planck, h, y la velocidad de la luz, c, sale α = 1/137. Otra vez 137 número puro.

Pero esas constantes universales son las que han propiciado que nuestro universo tenga la vida

Las constantes fundamentales (constantes universales) están referidas a los parámetros que no cambian a lo largo del universo. La carga de un electrón, la velocidad de la luz en el espacio vacío, la constante de Planck, la constante gravitacional, la constante eléctrica y magnética se piensa que son todos ejemplos de constantes fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil.

¡El Universo! Esa complejidad que, incansables, queremos desvelar.

No podemos descartar la idea ni abandonar la posibilidad de que algunas “constantes” tradicionales de la naturaleza pudieran estar variando muy lentamente durante el transcurso de los miles de millones de años de la historia del universo. Es comprensible por tanto el interés por los grandes números que incluyen las constantes de la naturaleza. Recordemos que Newton nos trajo su teoría de la Gravedad Universal, que más tarde mejoró Einstein y que, no sería extraño que en el futuro pudiera mejorará algún otro con una nueva teoría más completa y ambiciosa que explique lo grande (el cosmos) y lo pequeño (el átomo), las partículas (la materia) y la energía por interacción de las cuatro fuerzas fundamentales.

Lo cierto es que la Física está dominada por los paradigmas impuestos desde hace cien años por la mecánica cuántica y la relatividad que son dos teorías fundamentales que parten de principios rectores a partir de los cuales las teorías se construyen de una manera casi sistemática. En estos ejemplos es fácil de identificar ese principio rector:

En la Relatividad el principio es la constancia de la velocidad de la luz o, lo que es equivalente, que la velocidad de la luz determina una cota máxima sobre la velocidad de transmisión de información. Una vez aceptado este principio, el resto se da casi por añadidura. La constancia de la velocidad de la luz implica un espacio tiempo con una determinada geometría, la equivalencia entre masa y energía, así como el resto de los resultados de la Dinámica y la Cinemática Relativistas.

No podemos perder de vista el hecho cierto de que, la razón por la que la Relatividad se convierte en una auténtica Teoría autónoma es precisamente porque eleva la constancia de la velocidad de la luz a principio rector, a postulado. No se trata de explicar o modelar dinámicamente por qué la velocidad de la luz es la velocidad máxima sino que, muy por el contrario, se trata de derivar toda una cinemática, de hecho la propia naturaleza geométrica del espacio y el tiempo, a partir de dicho postulado.

El Universo de la Mecánica Cuántica nos es fantasmagórico e irreal, es un mundo aparte en el que podemos ver cosas inusuales y sorprendentes, allí no rigen las mismas leyes que podemos constatar a nuestro alrededor en el mundo macroscópico, o, si están presentes, funcionan de otra manera que se alejada de nuestro propio mundo, no hemos llegado a comprenderla… -del todo-.

Nos decía el filósofo Karl Popper:

“La Ciencia será siempre una búsqueda, jamás un descubrimiento real. Es un viaje, nunca una llegada.”

 

El hombre llevaba toda la razón toda vez que, emprendemos la aventura de la Ciencia y tratamos de buscar “cosas” y “comportamientos” que nos digan por qué, la Naturaleza, funciona de esta o de aquella otra manera. Vamos desvelendo escenarios y obteniendo algunas respuestas pero, el viaje no acaba nunca, a cada puerta abierta, nos encontramos con otro nuevo espacio en el que también, existen muchas puertas cerradas cuyas llaves tendremos que encontrar y siempre será, de esa manera: ¡Un viaje interminable!

emilio silvera

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Lo cierto es que miremos donde miremos… la materia y la energía están presentes. No importa que estémos en micromundo de la mecánica cuántica o en el macromundo de los cúmulos de galaxias, siempre nos toparemos con la energía que impregna todo el espacio y que adopta las diferentes y caprichosas formas que podemos ver y, seguramente otras que ni intuimos que están ahí. Materia = Energía pero, ¿qué son,  en realidad y en su más profundo origen esas “cosas”?  ¡Materia! y “Energía! que siendo lo que conforma y mueve al universo entero, no hemos podido llegar a saber ni su verdadero origen ni su auténtico significado.

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.

El Espacio y el Tiempo están tan unidos que, desde la Teoría de la Relatividad Especial y con la ayuda de Minkouski, le llamamos espaciotiempo como si de una sola entidad se tratara y el uno sin el otro no pudieran existir y, junto a la materia-energía, conforman un todo profundamente estable en el conocimiento de la Naturaleza que perseguimos.

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en buena mendida, 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.

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein, que esencialmente afirma:

Materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo

Esta ecuación engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el big bang, y seguramente el propio destino del Universo. Pronto se cumplirá un siglo desde que se dio a conocer al mundo y, todavía, sigue dando resultados positivos que nos llevan a conocer, algunos aspectos del Universo que permanecían escondidos.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría. Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

Einstein, como todos sabeis, se apoyo en otros muchos para formular sus teorías relativistas desde Mach, Maxwell y Lorentz hasta el propio Riemann. Sin embargo, fue él quien tuvo la chispa de ingenio de ver con claridad el significado de todos aquellos postulados que andaban sueltos por el mundo de la física y supo reunirlos en una teoría coherente y unificadora que, a lo largo del tiempo, ha sido demostrada de manera más que suficiente y aclaratoria.

La obra de Einstein está revestida de grandes éxitos en el campo de la Física y de la Cosmología, y, hasta tal punto es así que, el Cosmos sería otro sin la teoría de la Relatividad General de cuyas ecuaciones -arriba reseñadas- aún se están obteniendo consecuencias mucho más allá de los agujeros negros.

También esa simple ecuación que, se está convirtiendo en uno de los mayores logros de la Humanidad, por su sencilles y simpleza en contraposición con su profundidad y complejidad en cuanto a los mensajes que encierra, como por ejemplo, el hecho de que dichas ecuaciones de campo de la teoría de Einstein emerjan como por encanto desde las profundidades de la Teoría de cuerdas. Sin que nadie las llame, allí aparecen.

¿Qué tienen estas ecuaciones? ¿Qué mensajes nos envía? ¿Qué secretos encierran? y, ¿cómo debemos entender eso que llamamos espacio-tiempo? Nuestra imaginación no descansa y viaja hasta la complejidad de del Tiempo y del Espacio, del Pasado y del Futuro mientras que vivimos una realidad en el Presente.

Las teorías sobre la estructura del espacio-tiempo han sido objeto de muchas discusiones entre los físicos y los filósofos a lo largo de la historia, y de ninguna manera podemos decir que se haya llegado a una solución definitiva. En los últimos siglos las posturas se han polarizado en dos teorías. Por una parte el substantivismo, que considera al espacio-tiempo como una entidad independiente de las cosas materiales, prescindiendo de que existan o no, y por otra parte, el relacionalismo, que reduce la naturaleza del espacio-tiempo al conjunto de relaciones entre los corpúsculos o partículas elementales de las que está compuesta la materia y que, por consiguiente, no puede existir sin estos corpúsculos materiales. Es decir, sin materia no habría espacio-tiempo.

El defensor más acérrimo de la teoría relacional fue Leibniz, en contra de Newton, que propugnaba el substantivismo. Según Leibniz, el espacio no era más que el conjunto de relaciones entre los puntos (mónadas) materiales que existen simultáneamente, mientras que el tiempo no era más que el conjunto de relaciones entre puntos que no existen simultáneamente y uno es el origen (la causa) del otro.

   ¡Siempre queriendo atrapar cosas!

Para Newton, en cambio, el espacio es un gran contenedor donde se mueven los cuerpos materiales, y el tiempo es un flujo universal que se mueve en una dirección independientemente de que hubiese objetos externos. Los dos filósofos eran coetáneos y Leibniz se enfrentó a Neweton por la autoria de algunas ideas que generaron una gran polécimca en su tiempo y que, aún hoy,  se siguen debatiendo.

Las discusiones entre los substantivistas y los relacionalistas se han continuado hasta nuestros días, en que nuevos problemas han aumentado el debate, como el descubrimiento por Gödel de unas soluciones de las ecuaciones de Einstein que implican un tiempo cíclico, o la propuesta de Putnam y Rietdijk, que defiende un mundo de cuatro dimensiones estático, en vez de apoyar la teoría de que el Universo es una sucesión dinámica de mundos tridimensionales.

Las recientes discusiones han ayudado a reflexionar a un grupo de filósofos y físicos, que se han decidido a crear una plataforma internacional para estudiar los temas del espacio-tiempo, y así nació la Spacetime Society, dirigida por el Profesor Veselin Petkov de la Universidad Concordia de Montreal para involucrar a físicos y filósofos en la persecución del saber sobre ese espaciotiempo misterioso.

El tipo de vórtice que existe alrededor de la Tierra existe magnificado por todo el universo, alrededor de estrellas de neutrones, agujeros negros  y núcleos galácticos creando distintas distorsiones en la fábrica del espaciotiempo.  Los agujeros negros en realidad están girando y se comportan como inmensos giroscopios que crean a su alrededor misteriosos lugares en los que el espaciotiempo dejan de existir y se produce una densidad y curvatura “infinitas”, como si de otro “mundo” se tratara, nadie sabe lo que hay en el interior de los agujeros negros y en qué se ha convertido la materia que sirvió para conformar tan exóticos objetos.

Viejo es el debate sobre si estos vortices generados por los efectos de la materia generadora de la gravedad pueden servir como agujeros de gusano para viajar en el tiempo. Precariamente podemos postular la posibilidad de que los vórtices pueden funcionar como “stargates” a diferentes escalas ya que ocurren en toda la naturaleza. El efecto de la materia y la energía doblando el espacio para crear una puerta hiperdimensional dentro de la geometría euclidiana que rige nuestras vidas cotidianas.  Aunque en el universo de Einstein esto está limitado por la imposibilidad de superar la velocidad de la luz, el mismo Eisntein dijo alguna vez que “la distinición entre el pasado, el presente y el futuro es solamente un ilusión  muy persistente”..

emilio silvera

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Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos. Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Cuando hablamos de la relatividad general, estamos tratando el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente  importante para mantener a los componentes del Universo juntos. De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

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