Píldora cosmológica | Las unidades físicas de Planck

Para entender mucho mejor el mundo que nos rodea usamos unidades y medidas que nos son muy familiares. Por ejemplo, el año es el tiempo que tarda nuestro planeta en dar una vuelta completa alrededor del Sol. Lo mismo pasa con el día, que es una vuelta completa de la Tierra sobre si misma. A este respecto, nuestras unidades no son universales (y ni falta que hace) y seguramente el "año" o "día" de una posible civilización extraterrestre muy lejana sea muy distinto a nuestros conceptos. 

Precisamente, de esto se percató el científico alemán Max Planck: nuestras unidades de medida no guardan relación alguna a escala universal. De ahí que uno de los esfuerzos más destacables de Planck fuese encontrar unidades de tiempo, distancia, masa y temperaturas no vinculadas con fenómenos locales o terrestres. 

La base de las nuevas medidas deberían proceder de principios universales. Principalmente, a día de hoy conocemos tres:

• Gravedad universal | Constante G. Se trata de la fuerza de atracción descubierta por Newton.

• Velocidad de la luz | c. Es la base de la teoría de la relatividad de Einstein.

• Constante de Planck | h. Base de la teoría de la Física Cuántica y que precisamente define Max Planck. Se trata de la relación entre la frecuencia de una onda luminosa con la energía del fotón que ésta transporta. Está presente en la estructura de los átomos, las moléculas y sus interacciones con la radiación.

Con estos tres principios construimos las nuevas unidades físicas fundamentales de la naturaleza. En esta entrada simplemente nos centraremos en los números y no tanto en su origen. 

• Unidad de tiempo | Tiempo de Planck. Equivale a 10^-43 segundos. Es base al resto de unidades fundamentales. 

• Unidad de medida | Longitud de Planck. Distancia que recorre la luz durante una unidad de tiempo de Planck. Equivale a 10^-33 centímetros (significativamente menor que el radio de un protón).

• Unidad de masa | Masa de Planck. Equivale a 40 microgramos (lo que pesa un pequeño grano de arena). 

• Unidad de temperatura | Temperatura de Planck. Equivale a 10³² grados. Es significativamente más elevada que la estrella más caliente del Cosmos.

Por supuesto, en el día a día no tiene sentido hablar en unidades de medida de Planck porque, o bien son muy pequeñas, o bien son muy grandes. De hecho, todavía tampoco sabemos si estas medidas pueden aplicarse a la física cuántica. Tal y como se pregunta Reeves (2022) ¿los conceptos mismos de tiempo, espacio y energía tienen sentido más allá de estos valores límite? y lo más importante ¿son útiles para describir la realidad más pequeña? En realidad, a día de hoy, la Física contemporánea es incapaz de describir si la temperatura de Planck tiene sentido en un nivel cuántico.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Las fuerzas del Universo

La materia viene unida al concepto de fuerza. Las partículas del Universo (materia) reaccionan y se asocian a través de lo que conocemos como fuerza o interacción. La existencia de estas fuerzas permite describir los fenómenos físicos detectados hasta ahora. A día de hoy sabemos que hay cuatro fuerzas que gobiernan el Universo. En la píldora de hoy veremos resumidamente cada una de estas:

• Fuerza de la gravedad

Se trata de una fuerza bien conocida por todos nosotros y los animales. Por ejemplo, las gaviotas emplean esta fuerza (seguramente de manera insconsciente) para romper las conchas contra las rocas mientras vuelan y así poder comer.

Gracias a Newton sabemos que esta fuerza es la responsable del movimiento de la Luna y de los planetas del Sistema Solar. También sabemos que gracias a esta fuerza los planetas, sus satélites y las estrellas son prácticamente esféricas. Esta fuerza está presente en toda la estructura del Universo conocido: la gravedad es la responsable del movimiento de miles de millones de estrellas alrededor del centro galáctico y está íntimamente ligada a la dinámica del conjunto global de todo el Cosmos.

En la escuela aprendimos que la intensidad de esta fuerza depende exclusivamente de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos. 

 

 

• Fuerza electromagnética

Démonos cuenta de un detalle: la fuerza de la gravedad adquiere importancia en escalas grandes; con densidades elevadas, masas grandes y movimientos astronómicos significativos. Pero, ¿qué fuerza gobierna sobre los sistemas más pequeños? Empecemos por el principio.

Magnesia es una región de Grecia en la que se descubrió una piedra que se juntaba o se separaba (atraía o repelía, para ser más rigurosos) entre sí. En la Antigua Grecia, se empezó a conocer a este fenómeno como fuerza magnética. Además, en otras regiones se comenzó a observar la atracción de pequeños objetos cuando se frotaba ámbar amarillo. Como esta atracción era distinta a la fuerza magnética, se le empezó a llamar fuerza eléctrica (de la palabra griega elektron). En efecto, en aquella época se consideraba que ambos fenómenos eran distintos. 

En el siglo XIX, investigadores tales como Oerstedt, Ampére o Maxwell llegaron a la conclusión que los dos fenómenos eran uno solo. Habían unificado la fuerza electromagnética. En resumidas cuentas, el movimiento de las cargas eléctricas genera el magnetismo (en concreto, el campo magnético) y la variación en el campo magnético genera campos eléctricos. Con más investigación se descubrió que en la naturaleza existen cargas eléctricas aisladas: los electrones. A día de hoy no se conoce cargas magnéticas aisladas. 

Si antes hemos dicho que la esfericidad de los astros como planetas o lunas se debe a la fuerza de la gravedad, la forma irregular de los pequeños cuerpos celestes tales como asteroides o cometas se debe a la fuerza electromagnética (Reeves, 2022). 

Pero, ¿por qué podemos usar una brújula para ayudarnos a orientarnos? Por el movimiento del material ferroso en el interior de la Tierra, creando un campo magnético enorme. En concreto, estos materiales ferrosos contiene átomos cargados eléctricamente cuyo desplazamiento causa la aparición de los polos magnéticos cerca de los polos geográficos. 

En resumidas cuentas, esta fuerza es la responsable de los fenómenos que se producen a escala atómica y molecular. En la escuela aprendimos que esta fuerza es la que mantiene a los electrones en órbita alrededor del núcleo atómico. Además, esta es la fuerza que gobierna las reacciones químicas y biológicas de nuestro cuerpo.

• Fuerza nuclear fuerte (fuerza nuclear)

Conocemos los fenómenos radiactivos gracias a las investigaciones del Becquerelle o los Curie por el siglo XX. En aquella época, se descubrió que hay atmósfera inestables (como el uranio o el torio) y que cuando se desintegran en otras partículas se produce calor. Por supuesto, este fenómeno tiene asociado una fuerza que ni es la gravitatoria, ni la electromagnética. 

Esta fuerza es la responsable de la unión de los quarks en los nucleones y la que permite que los nucleones estén unidos en el núcleo atómico. Su potencial se manifiesta través de las acciones de la que es responsable. Cuando su energía está en situación de liberarse rápidamente se produce una explosión (como podemos apreciar en una bomba nuclear o en la explosión de una estrella).

Esta fuerza está presente en la nucleosíntesis o formación de los átomos. En efecto, esta fuerza se materializa en el corazón de las estrellas donde la fusión de partículas forman nuevos compuestos. De ahí que no nos deba sorprender que elementos como el silicio o el hierro se hayan formado en el interior de una estrella. En definitiva, somos polvo de estrellas porque el carbono, el nitrógeno y el oxígeno (componentes esenciales para la vida) también se formaron en estos grandes astros.

 

• Fuerza nuclear débil (fuerza débil)

Con Enrico Fermi, por el año 1930, entendimos que existía una fuerza nuclear distinta a la nuclear fuerte. Esto fue posible por la observación de la transformación de los neutrones en protones y viceversa. En resumen, esta fuerza es la que gobierna la transmutación de un gran número de núcleos radiactivos en núcleos estables. 

Una de las principales diferencias entre la fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil es que la primera realiza sus reacciones en ínfimamente menos tiempo que la segunda (desde milmillonésimas de millonésimas de segundo hasta miles de millones de años). Por ejemplo, la desitengración de un neutrón en un protón tarda aproximadamente 20 minutos y es fruto de la fuerza nuclear débil. Gracias a este fenómeno podemos usar el átomo del carbono 14 para fechar los fósiles.

No es de extrañar, por tanto, que esta fuerza esté implicada en la duración de la vida de las estrellas. Piensa que si esta fuerza fuese más fuerte, las reacciones nucleares de los corazones de las estrellas (el combustible) se agotaría antes y moriría mucho antes la estrella. En otro orden de cosas, el comportamiento de los neutonios está dominado por esta fuerza nuclear débil. 

En definitiva, hasta donde se sabe, el Universo se erige por cuatro fuerzas diferentes. Así, cualquier comportamiento de la materia puede definirse dentro de cada una de estas fuerzas. En el año 1972 se demostró que la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagéntica están íntimamente relacionadas. A día de hoy, por tanto, los esfuerzos se orientan en ver las relaciones que pueden existir en estas cuatro fuerzas. 

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Sobre la energía oscura

Si hay una materia oscura, deberá haber una energía asociada a esta y que también contribuye a la densidad del Cosmos. Desde Edwin Hubble sabemos que las galaxias poseen el movimiento de recesión (se alejan unas de otras). Pero entonces, ¿no se aplica la fuerza de la gravedad que debería frenarlas progresivamente (deceleracción)? La única respuesta a esta pregunta es que hay una energía oscura que tiene que estar ejerciendo un efecto de repulsión mayor a la fuerza de la gravedad. Pero los cosmólogos no se pueden contentar con esta solución tan breve. 

La energía oscura se puede confirmar a través de tres pasos relativamente sencillos (Reeves, 2022):

• Geometría del espacio cósmico. La teoría de la relatividad de Einstein permitió descubrir la relación existente entre la geometría del espacio y su densidad total. Puesto que el Universo es casi plano podemos calcular la densidad total del mismo de una manera sencilla: es equivalente a la presencia de cinco átomos de hidrógeno por metro cúbico de espacio. Entonces, los átomos de hidrógeno (que son materia ordinaria) solo representará el 5% de dicha densidad, mientras que la materia oscura contribuirá con un 25%, siendo el resto producto de alguna energía oscura [que se explica en el paso siguiente].

• Radiación fósil cósmica de fondo (restos del origen del Universo). Con la radiación fósil sabemos, en efecto, que el Universo carece de curvatura. Entonces su densidad será la suma de porcentajes de materia y energía. Teniendo en cuenta el primer paso descrito anteriormente, la suma del 5%  y el 25% deja un déficit importante suponiendo que estamos en una geometría plana. Para explicar este hecho y teniendo en cuenta las distancias de las galaxias más lejanas, concluimos con que la densidad de la energía oscura debe ser del 70%.

• Radiación X de los cúmulos de galaxias. Este tercer paso, explica y verifica (de una manera compleja pero rigurosa) la presencia y la densidad de la energía oscura.

En efecto, gracias al estudio de estos tres fenómenos junto con la aceleración de las galaxias, podemos confirmar la presencia de energía oscura que no vemos pero que interacciona directamente en nuestros cálculos. Así pues concluimos con que la materia ordinaria provoca una fuerza de atracción (que es más fuerte cuanto más cerca se encuentren los cuerpos); pero la energía oscura produce una fuerza repulsiva contraria (cuanto más alejado, más fuerte se sentirá).

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Detectando materia oscura

Digamos que el concepto científico de materia oscura es relativamente reciente. En el siglo XX el astrónomo Fred Zwicky fue una de las primeras personas en proponer su presencia. Para ello, pensó en un ejemplo sencillo, recogido en el libro de Reeves (2022): la Luna no case sobre la Tierra porque está en órbita alrededor de nuestro plantea gracias a la velocidad a la cual gira ofreciendo una fuerza centrífuga para contrarrestar la fuerza gravitatoria de nuestro planeta. Esta fuerza centrífuga es exactamente igual a la fuerza gravitatoria y hace que dichas fuerzas se contrarresten. En definitiva, tenemos Luna porque hay un equilibrio. 

Si este mismo ejercicio lo hiciésemos para las estrellas que giran alrededor de la Vía Láctea nos llevaremos una gran sorpresa. El Sol describe una órbita en 200 millones de años alrededor del centro de la Vía Láctea a una velocidad aproximada de 200 kilómetros por segundo. Pero, la masa visible de de la galaxia que atrae a todas las estrellas no es suficiente para mantenerlas en su órbita (como lo hace la Tierra y la Luna). Hay un desequilibrio claro. ¿Cómo es posible, entonces, que las estrellas no salgan disparadas por el espacio intergaláctico?

La única respuesta es recurrir al concepto de materia oscura. Es decir, hay en nuestra galaxia (y en otras) un componente aparentemente invisible (u oscuro; no en alusión al concepto clásico de "oscuro") que hace que presente una masa diez veces mayor a la materia ordinaria y que hace que se equilibre el sistema evitando que los astros salgan disparados. Sin ánimo de profundizar en esta idea de manera más rigurosa y científica, diremos que, en efecto, la presencia de materia oscura se ha podido confirmar de manera cualitativa y cuantitativa. 

• La materia oscura es la supuesta responsable de la velocidad de las estrellas alrededor del centro galáctico al que pertenecen. Se sabe que ejercen sobre su entorno una atracción mucho mayor que la materia ordinaria y que es la única forma que tenemos hoy en día en explicar la enorme velocidad de traslación de las estrellas alrededor del centro galáctico. 

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La materia que no se ve

5% es un dato que aparentemente no nos dice nada. ¿Qué tiene que ver este porcentaje con el estudio del Universo? Las fotos que recibimos de los telescopios espaciales muestran imágenes muy bellas de los confines del Universo. Pero también nos muestran que la materia que estamos viendo solo representa un 5% del total del Cosmos. Es decir, aproximadamente el 95% de la sustancia cósmica es invisible a nuestros ojos. 

Claro que, ¿cómo sabemos que ese 95% de la materia existe si no lo podemos ver? Digamos que lo podemos percibir de manera indirecta sobre la materia que podemos ver. Profundicemos en esta respuesta. Ya sabemos que la materia se puede manifestar de distintas formas. Por ejemplo, las estrellas emiten fotones (luz) que proceden de los átomos de dichos astros y que percibimos con nuestros ojos o con las placas fotográficas de los telescopios espaciales. Sabemos que toda la materia que nos rodea está compuesta por átomos (y a su vez por electrones, protones y neutrones; sin ánimo de profundizar mucho más en otras partículas cuánticas). A esta conocida materia la llamamos "materia ordinaria" (Reeves, 2022).

Supongamos ahora que las estrellas no emiten luz alguna (están ahí, pero no las vemos). No obstante, su presencia la percibiríamos gracias a una de las fuerzas fundamentales del Universo: la fuerza de la gravedad. Es decir, aunque el Sol no emitiese luz, sabemos que hubiese algo ahí fuera porque la Tierra se ve atraída gravitacionalmente a ese cuerpo completando una vuelta alrededor suyo cada año. Gracias a Newton y Einstein sabemos que cualquier materia ejerce una fuerza gravitatoria sobre los cuerpos cercanos, haciendo que se comporten de manera directa a cómo reciben esa atracción.

Precisamente con este método, se hipotetizó sobre la existencia de los agujeros negros. En efecto, son astros que no vemos, pero que estudiando el comportamiento de la materia ordinaria que tienen al lado, sabemos que están ahí. Recordemos que se confirmó la presencia de estos astros el 10 de abril de 2019 con una fotografía muy famosa:

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | ¿Hay universos paralelos?

Muchas personas y cosmólogos sostienen la idea de que hay universos totalmente desconocidos y desconectados con el nuestro. Esta teoría del Cosmos en esencia sostiene que existe la posibilidad de que haya miles de millones (o infinitos) universos independientes denominados universos paralelos o multiversos. 

Dicha teoría es muy complicada de respaldar o rechazar científicamente puesto que es muy complicado encontrar evidencias en una u otra dirección. Si nuestro Universo es independiente y desconectado con el que tendríamos al lado, ¿cómo podríamos detectar su presencia? Llegados a este punto es importante enfatizar una idea que Reeves (2022) refleja en su libro: la ausencia de pruebas no es prueba de ausencia.

Lo cierto que que las teorías más consolidadas sobre el origen del universo (el Bing Bang) no son del todo incompatibles con la idea de los multiversos. De hecho, la presencia de agujeros negros puede invitar a los cosmólogos a pensar en la existencia de otros universos e incluso en "jugar con la idea" de que esos agujeros negros son puertas a otros universos. En efecto, un agujero negro es una gran aspiradora cósmica que absorbe todo lo que cae en su superficie y la gravedad impide cualquier comunicación con su interior. Así, unos astronautas que se adentrasen en un agujero negro no podrían salir a contar su experiencia a excepción de que el agujero negro girase a suficiente velocidad sobre sí mismo. Entonces, cabe esperar que estos astronautas expulsados del agujero negro (que gira a enrome velocidad) saliesen a otro lugar del Universo y quién sabe si en otro universo. En definitiva, la idea de agujeros negros como "aeropuertos" a otros lugares del Universo no parece tan descabellada si se piensa de manera lógica.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | ¿El Universo es un espejo?

Una de las palabras que deben definir la rama científica de la Cosmología (y, por extensión, la Astronomía) es el de "teoría". Pocas cosas sabemos que son ciertas con total seguridad y muchas de ellas no dejan de ser meras teorías que esperan algún día ser confirmadas.

Una de las teorías que Reeves (2022) propone en su libro es la idea de que el Universo es finito y que las propiedades de su espacio hace que parezca infinito. Veamos un ejemplo más cercano a nosotros que nos ayudará a entender mejor esta idea. Imaginemos que entramos en una pequeña sala de un circo que está construida con espejos. A pesar de que sabemos que la sala es muy pequeña (la hemos visto por fuera antes de entrar) en su interior tenemos la sensación de que estamos en un espacio infinito. 

Esta idea estuvo en la mente de algunos cosmólogos al principio del siglo XX: ¿y si el Universo es como una pequeña habitación que da la sensación de ser infinito? Parece una teoría muy tonta; pero ahora mismo descubriremos que no lo es tanto. Los expertos en topología afirman que hay ciertas propiedades del espacio que se comportan de una manera similar a que si hubiese espejos dando la sensación de infinitud (cuando en realidad no lo es). En otras palabras, es muy plausible que veamos un Universo en el que se repiten los mismos astros en el espacio como cuando se refleja en el reflejo un objeto dando la sensación de que ese objeto se repite infinitamente. En definitiva, las propiedades topológicas del espacio son compatibles con esta teoría.

Con esta teoría en la mano, no parece tan insensato decir que una lejana galaxia puede ser "un reflejo" de nuestra Vía Láctea. De esta forma, sería posible analizar "este reflejo" para conocer el aspecto de nuestra galaxia hace miles de millones de años. Por supuesto, a día de hoy tenemos una barrera tecnológica que nos impide sostener o rechazar esta hipótesis puesto que las imágenes de galaxias lejanas no nos llegan con una óptima resolución. Tal vez sea el momento de realizar esfuerzos en avances científicos en lugar de otros asuntos menos éticos como las guerras.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La antimateria del Cosmos

En el siglo XXI sabemos que la antimateria es una realidad. La materia y la antimateria son dos realidades paralelas con propiedades semejantes salvo que tienen cargas eléctricas distintas. Cuando observamos nuestro mundo, estamos observando la materia. Todo lo que nos rodea es materia. Así, la antimateria es extremadamente rara.

Curiosamente, cuando se forma un electrón en un acelerador de partículas (como, por ejemplo, el CERN) se genera paralelamente un positrón (o un antielectrón). Si esto que hemos descubierto en un laboratorio enorme sucede así, se sospecha que esto mismo sucedió de manera natural al inicio del Universo. En resumen, cuando se genera materia, se genera antimateria y cuando coexiste el par materia-antimateria en el mismo lugar, se aniquilan convirtiéndose en luz.

Entonces, ¿por qué parece que no existe la antimateria frente a la presencia de materia ordinaria? Según palabras de Reeves (2022), no hay una respuesta satisfactoria a esta pregunta. Tan solo ciertas teorías o ideas que esperan ser demostradas o verificadas. Una de estas teorías se la debemos al físico soviético Sajarov. 

Según este científico, los procesos de creación y aniquilación de pares materia-antimateria se producían por doquier al principio del Universo. Esta cantidad de creación y aniquilación se producía en partes exactamente iguales. Sin embargo, con el pasar del tiempo, el Universo comenzó a enfriarse y esto provocó (en términos sencillos de explicar) que se generase más materia que antimateria [más creación que aniquilación]. A pesar de que esta diferencia no superase más del 1%, era más que suficiente para desequilibrar la balanza por el lado de la materia. Así, se llegó al momento en el que el enfriamiento de las partículas ya no permitía generar nuevas creaciones de pares materia-antimateria. Por el contrario, las aniquilaciones de pares materia-antimateria disipan la energía que se producía, haciéndose todavía más frío el entorno.

De este modo, cada partícula de antimateria en el Cosmos encontró una pareja de materia y, así, se aniquilaron todas las partículas de antimateria. Pero, como hubo una diferencia en el equilibrio materia-antimateria, ciertas partículas de materia permanecieron para formar el Universo que hoy conocemos. Por ese mismo motivo, ya no encontramos antimateria de manera natural y sí que encontramos materia.

Sin lugar a dudas, esta teoría sugiere que el desequilibrio en la balanza materia-antimateria permitió que primase la materia ante la antimateria. Por ese motivo, aunque ya sepamos que existe la antimateria, solo podemos observarla en nuestros laboratorios o en los rayos cósmicos. No obstante, no se puede concluir esta entrada sin concluir que la idea de Sajarov no es ni más ni menos que una mera teoría que deberá ser (o no ser) falseada.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La temible antimateria

Paul Dirac hizo un gran esfuerzo para unificar la teoría de Einstein con la teoría de la Física Cuántica que comenzó a surgir a principios del siglo XX. Gracias a su fórmula entendimos cómo el espín provoca la deflexión de los electrones en los campos magnéticos. Pero aún hay más: en su camino, Dirac se topó con el concepto de antimateria.

Empecemos por el principio, el electrón es una partícula que tiene carga (eléctrica) negativa. Esta partícula tiene un gemelo exactamente igual a excepción de una gran diferencia: el gemelo del electrón tiene una carga eléctrica positiva. A este gemelo lo llamamos "positrón" o "antielectrón". Y forma parte de la familia de la antimateria. 

¿No sería esto un elemento teórico pero ficticio del comportamiento de la materia? En 1932 se realizó un experimento que consistió en enviar globos sonda con placas fotográficas a la alta atmósfera para estudiar la presencia de rayos cósmicos. Se descubrió que había una especie de huellas oscuras divergentes idénticas pero con cargas opuestas (Reeves, 2022). Esto hizo que se descubriese por primera vez la presencia de un electrón y un positrón, formando un par partícula-antipartícula. Tal y como se puede ver en la siguiente ilustración:

Gracias a Dirac descubrimos una de las propiedades de los electrones: que se produce una deflexión en un campo magnético (el espín). Además, y no menos importante, comenzaremos a escribir un nuevo capítulo en la Física titulado: la antimateria. 

La antimateria implica que cada partícula elemental tenga su "doble malvado". Ya hemos hablado del electrón y el positrón, pero también tenemos protones (con carga positiva) y antiprotones (con carga negativa). Gracias a estos avances en la Física somos capaces de fabricar, no sin esfuerzo, antimateria como anithidrógenos ("gemelo malo" del átomo del hidrógeno común que tiene las cargas eléctricas invertidas).

Con la antimateria pasa una cosa: materia y antimateria deben estar lejos para poder perdurar. Si se hallasen en el mismo lugar y en el mismo momento...¡Bang! desaparecen inmediatamente. Esto se denomina en Física "aniquilación", convirtiéndose en luz u otras partículas.  En otras palabras, con la aniquilación del par materia-antimateria se producen fotones porque la masa de las partículas se transforma en energía luminosa (tal y como declara la famosa fórmula de Einstein E = m · c² ).

Hay algo que percibimos que no tiene su "gemelo malvado": los fotones. No existen los antifotones o, dicho de otro modo, los fotones son sus propias antipartículas. Por último y no menos importante, debemos recordar que a partir de la luz se puede hacer que nazcan pares de materia-antimateria y viceversa.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La armonía de Dirac

Por supuesto, si hubiese que destacar a un científico que revolucionaría la Física y la Astronomía a comienzos del siglo XX no podemos dejar de mencionar a Albert Einstein. Mucha gente, incluso sin una fuerte cultura científica, ha escuchado este nombre. Sin embargo, es muy injusto no conocer otros nombres importantes en esta época. Hoy le toca el turno a Paul Dirac, científico muy importante y coetáneo de Einstein que proporcionó una unión sólida entre la teoría de la relatividad y la teoría de la física cuántica.

A principios del siglo XX se comienza a escuchar palabras como Teoría de la Relatividad y Física Cuántica. Por aquel entonces, un apasionante de las Matemáticas llamado Paul Dirac se da cuenta que las ecuaciones de ambas teorías son incompatibles. Por supuesto, esto no lo podía tolerar Dirac; él piensa que si la realidad es una, por lógica deberá existir "algo" que permita integrar los aspectos de ambas teorías. 

Tras un trabajo muy arduo, da con una ecuación que permite integrar las aportaciones de la física cuántica y la teoría de la relatividad restringida. A esto se le conoce como la ecuación de Dirac. Para ello, llega a una fórmula relativamente compleja en la que se usan operadores muy poco usados para la época. De hecho, los resultados son satisfactorios pero muy complicados de obtener e interpretar.

Recurriendo al buen hacer de Reeves (2022) para explicar de una manera sencilla y tangible, la ecuación nos permite conocer los movimientos de los electrones en un campo magnético. Hace tiempo se sabía que los electrones se desviaban cuando atravesaban un campo magnético. Más tarde se supo que el electrón se configuraba como una pequeña esfera que giraba a gran velocidad sobre sí misma. Este movimiento de rotación se denominó "espín" y era el responsable del movimiento participar del electrón en el campo magnético. Ahora viene lo complicado, el electrón puede girar en sentido horario o antihorario, lo que hace que se vaya a dos direcciones diferentes. Gracias a la ecuación de Dirac supimos que el espín es una propiedad que se deduce de la misma y que implica la integración de los conocimientos de la teoría de la relatividad y la física cuántica. ¡Pero ojo! También se deduce que el espín no tiene nada que ver con ninguna rotación del electrón.

A este respecto, cabe señalar que la reunificación que Dirac consiguió solo aborda la armonización teoría de la relatividad restringida (1905) con la física cuántica y, que por tanto, solo se aplica en aquellos contextos en los que la fuerza de la gravedad es muy débil o prácticamente inexistente (como en la superficie de la Tierra).

Lo dicho, se trata de una fórmula compleja que supuso un paso importante en la armonización científica; pero que requiere de muchos más avances para entender mejor nuestro mundo y el Cosmos.

Píldora cosmológica | El error de Einstein

Solemos asociar a Albert Einstein como un gran genio que permitió avanzar el conocimiento científico de una manera muy significativa. No es para menos, gracias a él entendemos mucho mejor el comportamiento del Universo. Sin embargo, solo con el fin de ser lo más justos y equilibrados posibles, debemos recordar que hasta los genios también se equivocan. Hoy vamos a ver algunas ideas no tan acertadas de Einstein.

En la Antigua Grecia había dos corrientes principales de pensamiento relativo al Cosmos: (1) la apolínea que defendía que el Universo era finito y (2) la dionista que sostenía que era infinito. Einstein se decantaba por la primera idea, sosteniendo que el Universo tenía que ser finito y estático. En esencia, creía firmemente que Universo era eterno sin principio ni fin. Esta era una idea que casa muy bien con las creencias religiosas más importantes: al fin y a cabo, Dios creó el Universo y está de la misma manera que los primeros minutos de la creación.

Entonces... ¿qué pasó? Precisamente las ideas matemáticas y físicas de Einstein era muy compatibles con la idea de que el Universo es un ente infinito y dinámico. Para ello, el genio propuso la idea de constante cosmológica. De esta forma se podría explicar los movimientos de contracción y expansión del Universo. Pero esta constante resultó ser un terrible fracaso. Al fin y a cabo, con esta teoría no se acababa de explicar los movimientos globales y, al final, en 1920 Eddie Hubble demostró empíricamente que el Universo se movía. 

Al final de su vida, Einstein reconoció que la constante cosmológica fue la mayor metedura de pata de su carrera (Reeves, 2022). 

Este es un claro ejemplo de cómo incluso con evidencias objetivas y numéricas podemos no llegar a apreciar la realidad debido a las creencias e ideas prefijadas que poseemos de manera intrínseca. Por desgracia, Einstein ignoró el potencial de sus matemáticas para haber predicho a expansión del Universo diez años antes de su demostración empírica. Por supuesto, esto no debe empañar en absoluto la enorme contribución de este gran genio en los campos científicos.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Las ideas de Einstein

Se tiene la imagen de Einstein como un científico ampliamente sabio. No es para menos, revolucionó la Física y Cosmología a principio del siglo XX. Sin embargo, su etapa científica final no fue tan fructífera como la primera, precisamente a causa de sus creencias (Reeves, 2022). 

Tras la publicación de sus dos teorías de la relatividad le seguirá un desafío que le llevará toda su vida sin un resultado positivo: una ecuación unificadora de todos los comportamientos físicos. Aquí entra en juego una de las creencias más arraigadas de Einstein: la racionalidad de todo lo que nos rodea. Siguiendo con los planteamientos de Platón, Aristóteles y Galieo, Einstein cree que todo el mundo puede ser entendido en términos matemáticos racionales. De esta forma, él cree que una causa provoca un efecto y que un efecto es provocado por una causa. De este planteamiento surge la famosa idea de Albert Einstein de que "Dios no juega a los dados". Para él, el azar y la probabilidad son fruto de nuestras limitaciones para entender todo aquello que nos rodea.

Gracias a estas ideas (creencias) evolucionó la ciencia en un cambio de paradigma sobre la visión del tiempo, el espacio, la energía y los movimientos provocados por la gravedad. En efecto, la teoría de la relatividad explica de una manera relativamente sencilla el comportamiento de la materia sometida a un campo gravitacional. Gracias a él podemos conocer con certeza el fenómeno de la desviación de la órbita de Mercurio, las desviaciones de la luz o la existencia de los agujeros negros a través de la curvatura del espacio con la materia y la energía que alberga.

Durante los años 1920 y 1930, de la mano de Niels Bohr, Schrödinger y Heisenberg, se dan los primeros pasos en lo que hoy llamamos Física Cuántica. Sin embargo, debido a la creencia de Einstein, éste no supo apreciar su verdadera esencia. Como hemos visto, Einstein sostenía que "Dios no juega a los dados". Y es que las teorías cuánticas tienen una gran dosis de aleatoriedad; es decir, azar (lo que odia Einstein). El gran Einstein piensa que la teoría cuántica es algo transitorio y que a medida que conozcamos mejor nuestro mundo, el azar se iría reduciendo hasta desaparecer. En otras palabras, el "azar cuántico" no es más que el fruto de nuestra ignorancia. De sus conversaciones con Bohr podemos obtener la réplica a los famosos dados de Dios: "Albert, ¡deje de decirle a Dios cómo debe comportarse!".

La Física Cuántica reconoce otra cosa más que a Einstein no le hace ni pizca de gracia: el método de observación de la naturaleza incide en los resultados obtenidos. Esto aparentemente sencillo se traduce en aceptar que existe un mundo exterior a nosotros, independientemente de nuestro modo de exploración. 

En definitiva, el entendimiento del Cosmos no es tan sencillo de cómo Einstein creía que sería. Finalmente, el gran genio reconocería que a cada causa le corresponde no solamente un único efecto, sino más bien varios efectos posibles, los cuales son imposibles de prever mediante ecuaciones matemáticas (más bien a través de los cálculos de la probabilidad).

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Experimentos cosmológicos

Una de las reflexiones más importantes del libro que se está usando para esta serie de píldoras cosmológicas (Reeves, 2022) es que el arte del buen investigador radica en elegir las preguntas adecuadas. Para poder alcanzar una solución satisfactoria a un problema se precisa hacer la pregunta más adecuada. A lo largo de esta píldora veremos cómo algunos de los grandes genios llegaron a conclusiones cosmológicas muy relevantes gracias a la forma en la que diseñaron las preguntas de sus investigaciones.

• Galileo se preguntaba si al lanzar distintas bolas de metal (de masas distintas) llegaban al suelo en tiempos diferentes. Para ello, fue a la famosa torre de Pisa a tirar bolas de cañón. Su conclusión: independientemente de la masa de la bola llegaban al suelo exactamente en el mismo instante. Como conclusión se rechaza que las bolas más pesadas llegarían primero al suelo. Este experimento concluyó con el surgimiento de la inercia (capacidad de poner en movimiento los cuerpos): cuando más masivo es el cuerpo, más difícil será ponerlo en movimiento. Entonces, la inercia de la bola grande compensa exactamente el aumento de gravedad que acarrea su masa. Pero ahí no se queda la cosa. Galileo no queda satisfecho con la respuesta de esta pregunta. A continuación, se pregunta qué relación puede existir entre las propiedades de las bolas de metal y la gravedad universal. En términos generales, Galileo pone en duda el concepto de la fuerza de gravedad como se conocía en aquella época.

• Muchos siglos más tarde, gracias a la teoría de la relatividad sabemos dar respuesta a la inquietud de la gravedad de Galileo. En concreto, la masa de los objetos modifica la geometría del espacio circundante. De ahí que ella deformación del espacio se manifiesta como una curvatura local de dicho espacio en el que los movimientos de los cuerpos se ve influenciado. Así, la masa de nuestro "pesado" planeta permite que la Luna orbite alrededor de la Tierra en lugar de salir despedida al espacio intergaláctico.

• Entre Galileo y Einstein hay una persona que debemos mencionar cuando hablamos de gravedad: Newton. Este científico introdujo el concepto de la fuerza de la gravedad: el Sol atrae a la Tierra incluso estando a 150 millones de kilómetros de distancia. 

• No obstante, volviendo a Einstein, el concepto de fuerza desaparece y se sustituye por el de deformación de la geometría del espacio [lo que se ha visto más arriba]. Frente a las ideas de Newton, la idea de Einstein permite conocer con mucha mayor precisión la órbita de Mercurio. Eso no significa desechar las ideas de Newton. Pero más allá de entrar en estos detalles, volvamos a los planteamientos de preguntas que han permitido avanzar a la ciencia hasta lo que conocemos hoy en día. Einstein se pregunta que si el movimiento de los cuerpos no está vinculado a sus propiedades intrínsecas, solo el espacio permite que los cuerpos se comporten de la misma manera (independientemente a su masa).

• Gracias a esta hipótesis, Einstein sostiene teóricamente la deformación del espacio. Además, añade que la luz está sometida a la curvatura del espacio que imponen los cuerpos masivos. Einstein se atreve a predecir que en el próximo eclipse de Sol (cuando se quede todo oscurecido por el paso de la Luna y se puedan ver las estrellas) se verán estrellas que sabemos con total seguridad que están detrás del Sol. Esto es así por la deformación de espacio y, consecuentemente, el desvío de su luz; tal y como se ilustra en la siguiente imagen. La predicción de Einstein se pudo comprobar empíricamente pasados unos años en el eclipse de Sol de 1919.

En definitiva, gracias a los planteamientos adecuados de problemas que observamos o que recuperamos de otros científicos o pensadores hacen que la ciencia pueda avanzar segura de sus conclusiones bajo la tranquilidad de que una teoría mejor pueda sustituir a la que se había aceptado hasta ese momento.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | Las teorías de Newton y Einstein

A lo largo de las píldoras cosmológicas anteriores sabemos que en el año 1905 Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad restringida y en el año 1917 publicó la teoría de la relatividad general. ¿Qué diferencia hay entre una y otra teoría? La teoría de la relatividad restringida se aplica en contextos en los que existen campos gravitatorios muy débiles. Por el contrario, la teoría de la relatividad general es una extensión de la primera puesto que tiene en cuenta los enormes campos gravitacionales (Reeves, 2022).

Antes de Einstein, Newton revolucionó el conocimiento científico en el siglo XVII con su teoría de la gravedad. Esta teoría explica muy satisfactoriamente el movimiento de los planetas del Sistema Solar. De hecho, esta es la teoría más adecuada cuando se aplica a los movimientos de los cuerpos cuya velocidad es muy inferior a la de la luz; tal y como es el caso de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol (10.000 veces inferior a la velocidad de la luz).

Tal y como podemos concluir de la lectura de los dos párrafos anteriores, estas tres teorías son compatibles entre sí: una se aplica al movimiento de nuestro mundo más cercano (Newton) y otra es aplicable para describir el movimiento de los electrones que se acercan a velocidades próximas a la de la luz (Einstein). De hecho, tal y como aclara Reeves (2022), debemos aplicar las teorías de Einstein cuando analizamos el recorrido de Mercurio, el planeta más cercano al Sol que se desplaza a una velocidad de 40 km/s, puesto que la teoría de Newton ya se queda corta.

En efecto, el progreso científico no consiste exclusivamente en rechazar teorías científicas previas. En este caso, ni Newton tenía más razón que Einstein, ni al revés. Por un lado, gracias a Newton sabemos estudiar los cuerpos que se desplazan a velocidades muy inferiores a la de la luz. Por otro lado, gracias a Einstein podemos estudiar todos los cuerpos que realizan movimientos con velocidades de la luz. Bien es cierto que gracias a la teoría de la relatividad, podemos acercarnos a conocer el "engranaje" esencial de todo el Cosmos.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La velocidad de la luz

Desde hace mucho tiempo sabemos, y así lo aprendemos en la escuela o el instituto, que nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz. 

Esta afirmación surgió de la mano de Albert Einstein. La teoría de la relatividad afirma que cuanto más deprisa va un cuerpo cualquiera, más aumentará su masa y más energía energía haría falta para incrementar su velocidad.

Reeves (2022) propone un símil: cuando la velocidad de un coche es mayor, más energía hace falta y más combustible se consumirá. Este ejemplo más cercano solo sirve para aclarar que a más velocidad del cuerpo más energía hace falta para ir incrementando dicha velocidad y hay que tener en cuenta que lo que se ha mostrado del coche nada tiene que ver con la relatividad, sino más bien con la tecnología automovilística. 

Imaginemos ahora una nave espacial especial que puede viajar a la velocidad de la luz. La energía necesaria para seguir acelerando la nave espacial especial llegaría a ser enorme hasta tal punto que sería infinita. La luz es "la única nave espacial especial" en llegar a la velocidad máxima precisamente porque tiene masa nula. Así, los fotones no pueden la velocidad límite de 300.000 km/s.

En Cosmología se sabe que las velocidades de galaxias más alejadas de nosotros (cerca del horizonte observable del universo) se están alejando a velocidades superiores de la de la luz. En otras palabras, cuanto más alejadas se encuentran las galaxias más rápidamente se alejan. ¿Cómo es esto posible? Llegados a este punto tenemos que recordar que los movimientos de las galaxias no son movimientos en el sentido estricto de la palabra; es decir, las galaxias no se están desplazando EN el espacio, sino más bien JUNTO CON el espacio. El propio espacio está en expansión y las galaxias son arrastradas en este espacio. Así pues, sí, hay galaxias que se "están desplazando" a velocidades superiores de la luz sin esto violar la teoría de la relatividad.

Para complicar aún más las cosas, hay teorías que afirman la existencia de partículas más rápidas que la velocidad de la luz: los taquiones. Se trata de una palabra que contiene la raíz griega ταχύς que significa "veloz". Pero ningún investigador a día de hoy se ha encontrado con un taquión.

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma

Píldora cosmológica | La famosa fórmula de Einstein

Seguramente todos en algún momento de nuestra vida hemos visto la siguiente fórmula: 

Esta fórmula es el resultado de haber reconocido, en primer lugar, que el tiempo y el espacio están intrínsecamente unido. De esta forma Einstein pudo entender por qué la velocidad de la luz siempre es el mismo independientemente del observador. De las matemáticas que utilizó para integrar el espacio-tiempo surgió la famosa fórmula E = m · c²

Antes de profundizar en esta famosa fórmula debemos decir que la masa es una forma de energía. En efecto, a la energía térmica, la energía química o la energía cinética, por poner varios ejemplos, se le suma la energía de la masa. Ya sabemos, de las lecciones de Educación Secundaria, que la energía puede transformarse en otras. Por ejemplo, el calor produce movimiento o la energía química puede producir calor.

En efecto, la masa puede transformarse en calor (por ejemplo, es lo que ocurre en el interior de nuestra estrella). De hecho, hablando del Sol, este pierde toneladas de su masa cada segundo convirtiéndose en luz visible. ¿Y al revés? Reeves (2022) reconoce que la energía luminosa puede convertirse en masa.

E = m · c² es básicamente un balance de contabilidad económica. La fórmula nos dice cuánta energía se obtiene a cambio de un gramo de masa. En otras palabras, la energía es igual al a masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Gracias a E = m · c²  entendemos que la luz que el Sol emite cada segundo equivale a la pérdida de 400 millones de toneladas de su propia masa.

Pese a quien le pese, esta fórmula ha desempeñado un papel fundamental en la elaboración de la Física Nuclear... para lo bueno y para lo malo. Curiosamente, en una hoguera esta fórmula también se puede aplicar: transformacionales de la leña en calor, luz y humo (aunque la fracción de la masa es ínfima).

Fuente bibliográfica

• Reeves, H., (2022). Crónicas de los átomos y de las galaxias. Alianza editorial.

Jacob Sierra Díaz y Sigma