Prediciendo El Futuro

La ciencia es, entre otras cosas, una manera eficiente de predecir los hábitos de la naturaleza.

Una teoría científica a menudo es capaz de vislumbrar el mundo físico con más efectividad que sus creadores.

Las teorías físicas frecuentemente están formuladas en términos de ecuaciones matemáticas. Las soluciones de estas ecuaciones bajo condiciones determinadas, permiten conocer propiedades del sistema físico que se quiere modelar, prever la evolución de dicho sistema, o mejor aún, predecir la existencia de objetos de cuya existencia ni siquiera se sospechaba antes de resolver las ecuaciones.

Luego las observaciones o los experimentos, se encargarán de verificar esas predicciones. Si resultan ciertas, la teoría habrá ganado un round en su confrontación con el mundo.

Las soluciones a la teoría de gravitación universal de Newton aplicada al sistema solar permitieron comprender las propiedades de las órbitas de los planetas, y predecir eclipses y cometas. Toda la ingeniería de vuelos espaciales se basa en la predicción del futuro que nos permite la teoría de Newton. El planeta Neptuno fue predicho teóricamente por el comportamiento de la órbita de Urano. Leverrier dijo a los astrónomos: apunten sus telescopios en tal dirección y observarán un planeta.

Las simetrías de la tabla periódica permitieron predecir la existencia de nuevos elementos químicos. La existencia del neutrino, una particular elemental, fue postulada teóricamente por Pauli, antes de detectarla experimentalmente. La antimateria fue primero una solución matemática de una ecuación propuesta por Dirac, luego se descubrió el positrón, el antiprotón y el resto de las antipartículas.

Cuando se descubrió el neutrón, algunos teóricos como Lev Landau conjeturaron la existencia de estrellas neutrónicas. Al poco tiempo se observaron con los radiotelescopios: son los púlsares.

En los años cuarenta, el grupo de George Gamow, apoyándose en el modelo del Big Bang, predijo la existencia de un fondo de microondas que debía plenar uniformemente el universo. Como no existía la tecnología adecuada para detectarla, la predicción fue olvidada. En los años sesenta la radiación cósmica de fondo se descubrió accidentalmente.

Einstein pudo haber predicho la expansión del universo. Las soluciones a las ecuaciones de la relatividad general sugerían la expansión. Pero pudo más el prejuicio de un universo inmutable y Einstein modificó las ecuaciones. Cuando Hubble descubrió la expansión, Einstein se arrepintió con amargura de haber modificado sus ecuaciones.

Definitivamente la ciencia es más eficaz prediciendo el mundo, que las bolas de cristal, la borra del café o la astrología.

La Noche de San Lorenzo

El 10 de agosto del año 258, el cielo se iluminó de estrellas fugaces que parecían venir de la constelación de Perseo, las estrellas cayeron del cielo como luces de bengala, era la Noche de San Lorenzo.
Dice la Historia que ese día, un prefecto de Roma ordenó a un diácono cristiano llamado Lorenzo, que entregara los objetos valiosos de la iglesia. Lorenzo se presentó a la prefectura con un grupo de pobres y mendigos, mostrándolos como los tesoros de la iglesia. El prefecto indignado mandó a matar a Lorenzo. San Lorenzo fue atado a una parrilla de metal y asado en las brasas mientras el cielo ofrecía su baño de estrellas. Cada 6 años por la misma época se veía la misma lluvia de estrellas fugaces, que la gente llamó las “lágrimas de San Lorenzo”.
Una lluvia de estrellas fugaces es polvo de la cola de un cometa. Son partículas con tamaños tan grandes como una frambuesa y tan pequeños como un grano de arena, que al entrar en contacto con la atmósfera de la Tierra se encienden.
Cuando un cometa pasa por el interior del Sistema Solar los gases y materiales de la superficie del cometa salen despedidos al espacio, y pasan a orbitar al Sol. Así se forma una corriente o anillo de partículas, denominado técnicamente enjambre de meteoros. La órbita terrestre cruza algunos enjambres de cometas de periodo corto, produciendo lluvias de meteoros. Cuando la actividad de una lluvia de meteoros sobrepasa los 1000 meteoros por hora, se le denomina tormenta de meteoros.
Los cometas tienen órbitas regulares y su paso cerca de la Tierra es periódico. El cometa Biela dio origen a las lágrimas de San Lorenzo. El cometa Temple-Tuttle se acerca a la Tierra cada 33 años y nos deja ver el espectáculo de las llamadas Leonidas, ya que se ven cerca de la constelación de Leo. Las Leonidas fueron vistas por Alexander von Humboldt en 1799 y su última aparición fue en 1999.
Los babilonios fueron los primeros en dejar la huella de su observación de lluvias de meteoros. Se encontraron tablillas con escritura cuneiforme que datan del año 747 a.C. donde se refleja esa observación.
El cometa Biela, reapareció en 1845 pero ya partido en dos pedazos. Cada trozo tomó un rumbo distinto, y con ellos se fueron las lágrimas de San Lorenzo.

La Energía Del Vacío

En 1917 Einstein dejó escapar la oportunidad de hacer la predicción del siglo: nada más y nada menos que anticipar teóricamente la expansión del universo.
En efecto, las ecuaciones de la relatividad al ser aplicadas al universo, sugerían que debía expandirse o contraerse. Era una época en la que no existían demasiadas observaciones cosmológicas y Einstein sucumbió al prejuicio milenario de un universo inmutable y estático. Modificó sus ecuaciones originales para que fueran compatibles con su prejuicio, agregándoles un término que se llamaría la constante cosmológica.
La constante cosmológica se encargaría de contrarrestar la atracción gravitacional produciendo un modelo de universo estático en equilibrio.
Una década después, en 1929, los telescopios poderosos comenzaban a mostrar evidencias contundentes de que las galaxias se alejan unas de otras en una gigantesca estampida cósmica. El universo no era estático como Einstein creía, sino en expansión como sus ecuaciones originales sugerían. Fue entonces cuando Einstein abjuró de la constante cosmológica, la estigmatizó como el mayor error de su vida y volvió a las ecuaciones originales. Ese fue el segundo mayor error de su vida. La constante cosmológica, como en la fábula del aprendiz de brujo, una vez invocada, no era fácil desaparecerla.
Corresponde a las observaciones determinar si existe o no, y cuál es su valor.
Y las observaciones llegaron. En 1998 estudiando la luz de supernovas muy distantes, dos grupos de investigadores consiguieron evidencias de que el universo no sólo se expande sino que lo hace de una manera acelerada: la expansión es cada vez más rápida.
La explicación más plausible de esta aceleración es la repulsión gravitacional producida por la constante cosmológica.
La masa asociada a la constante cosmológica representa alrededor del 70% de la masa del universo.
¿Qué forma esta “energía oscura” que controla actualmente la expansión del universo?
No lo sabemos. Sabemos que no es materia ordinaria como la que nos forma a nosotros y a las estrellas. Se le asocia con el esotérico nombre de “energía de las fluctuaciones cuánticas del vacío”, pero los cálculos teóricos y las observaciones difieren abismalmente.
La constante cosmológica, abjurada por Einstein, está en el centro de una crisis sin precedentes en la física teórica. La resolución de esta crisis clama por una adecuada comprensión de la gravedad en las más pequeñas escalas imaginables, para poder entender mejor la mayor de las escalas: el inconcebible universo.

La Flecha del Tiempo

Usted se quedaría perplejo si viera que los trozos de un vaso que se ha hecho pedazos al caer de una mesa, se juntan espontáneamente y rehacen el vaso, que luego salta a la mesa a su posición inicial, como en una película proyectada al revés. ¿Qué impide que estos y otros hechos similares se produzcan en la naturaleza?
La mano invisible que gobierna este esencial comportamiento de la naturaleza es la segunda ley de la termodinámica, una de las leyes fundamentales de la física.
Según esta ley, en la naturaleza la energía tiende a fluir espontáneamente (si no hay impedimentos), desde el sitio en que se halla concentrada, para dispersarse irreversiblemente en el medio que la rodea.
La segunda ley prohíbe los procesos en los que la energía se concentra en vez de dispersarse: como el de los trozos de vidrio ya mencionados, que concentran energía del medio para desplazarse armoniosamente, reconstruir el vaso, y elevarlo a la mesa, donde la energía se concentra en forma de energía potencial.
La tendencia natural de los sistemas ordenados y complejos es la de hacerse más simples y desordenados con el tiempo
La segunda ley fue establecida a mediados del siglo diecinueve por Rudolf Clausius y William Thompson, a partir de los trabajos de Sadi Carnot de 1822 sobre la eficiencia de las máquinas de vapor.

Rudolf Clausius introdujo en 1865 el concepto de entropía, magnitud definida de tal manera que ella siempre crece en todo proceso espontáneo que realice un sistema cerrado. De modo que decir que la energía tiende espontáneamente a esparcirse, es lo mismo que decir que la entropía tiende siempre a crecer.
La segunda ley proporciona una “flecha del tiempo”, dado que la tendencia de los procesos naturales que ella indica, impone una dirección al flujo del tiempo. La dirección positiva del tiempo está relacionada con el crecimiento de la entropía, es decir, con el flujo espontáneo de la energía de concentrada, a difundida y esparcida.
Pero ¿qué explica entonces la aparición espontánea en la naturaleza de sistemas altamente complejos y ordenados como los seres vivos? ¿No contradice esto la segunda ley de la termodinámica? Las investigaciones de las últimas décadas muestran que la naturaleza, en su afán de hacer crecer la entropía, se inclina a veces por la producción de orden, debido a que el flujo ordenado de energía produce entropía más rápidamente que el flujo desordenado.

Un Mundo Raro

Los físicos nos informan que la materia se comporta como ondas y como partículas, altas concentraciones de materia crean un espacio-tiempo curvo, la naturaleza es intrínsecamente probabilista, la velocidad de la luz no depende del estado de movimiento de quien la mida, el universo se expande como consecuencia de un origen violento que llamamos big bang.
Estos y muchos otros resultados nos resultan incómodos, nuestra imaginación luce inapropiada para entender esos fenómenos. Ellos desafían abiertamente nuestra intuición. Por eso la física ha sido acusada de ser una disciplina demasiado abstracta y que usa técnicas matemáticas muy sofisticadas. Pero veamos la cuestión con más detenimiento.
Lo que llamamos intuición o sentido común, es el resultado de un arduo proceso de evolución durante cientos de millones de años en un ambiente particular. Somos muchísimos más grandes que los electrones y los átomos, pero ínfimos comparados con las estrellas. Las velocidades a las que estamos acostumbrados, son incomparablemente menores que la velocidad de la luz. Podemos percibir con nuestros sentidos tiempos de algunos años o décimas de segundo, pero no tenemos intuición de millonésimas de segundo o millones de años. El campo gravitacional de nuestro planeta es muy débil.
En resumen, evolucionamos en un mundo mediano, tal vez porque la complejidad que llamamos vida, no puede aparecer en condiciones extremas.
Cuando el avance científico nos permite acceder a escalas alejadas de nuestra experiencia cotidiana, es lógico que el mundo nos luzca desconcertante, raro. Y las leyes que lo describen parecen violar nuestra intuición. Por eso nos parece extraño que un reloj en movimiento atrase su ritmo o que la geometría no sea euclidiana donde hay campos gravitacionales intensos. Nuestra intuición no está preparada para esas condiciones.
La gran pregunta es: ¿A quién deben satisfacer las teorías y leyes que diseñamos para entender mejor al universo? ¿A los experimentos y observaciones? o ¿A nuestra intuición que suele ser provinciana? La respuesta es obvia. La física ha retado en muchas ocasiones a lo que nos parece razonable. Y ha tenido razón.
La física es abstracta y usa matemáticas altamente sofisticadas porque ese es el precio que tenemos que pagar para adentrarnos en mundos raros.
Es un mérito y un elogio a la inteligencia de la humanidad, lograr conocer las intimidades del mundo, en condiciones extremas, en donde las cosas no son como presumimos y cuando el sentido común se quiebra y la intuición no resulta buena consejera.

Partículas Fantasmagóricas: Los Neutrinos

¿Puedes imaginar que mientras oyes este programa, diez mil billones de partículas provenientes del sol, atraviesan impunemente tu cuerpo?
Son los neutrinos, una de las partículas elementales prima hermana del electrón.
El neutrino fue primero una hipótesis. Wolfgang Pauli conjeturó su existencia en 1930 para que no se violara la ley de conservación de la energía en el proceso de desintegración de los neutrones. La hipotética partícula no podía tener carga eléctrica y sólo era afectada por una fuerza subatómica de corto alcance y extraordinariamente débil.
Precisamente por eso fue tan difícil detectar neutrinos. Ellos pueden atravesar grandes cantidades de materia sin verse afectados por ella. Fue tan sólo en 1956 cuando los presuntos neutrinos fueron detectados experimentalmente por primera vez.
Hoy sabemos que hay tres tipos diferentes de neutrinos, el neutrino del electrón, el del tau y el del muón. Además hay fuertes evidencias de que no hay sino estas tres clases.
Las reacciones nucleares responsables del brillo del sol, generan, además de helio y radiación, un abundante flujo de neutrinos que viajan desde el interior del sol sin ninguna interferencia. En modernos detectores como Superkamiokande, en Japón, se comenzaron a detectar los neutrinos provenientes del sol. Las observaciones mostraban apenas un tercio de los neutrinos que debían llegar de acuerdo con los modelos del sol. El conflicto se resolvió al advertir que si los neutrinos tienen masa, pueden cambiar de clase mientras viajan del sol hasta la tierra. Antes se pensaba que los neutrinos, al igual que los fotones, no tenían masa. La evidencia de que los neutrinos tienen masa obliga a profundos cambios en nuestra comprensión de las partículas elementales.
Por otra parte surgió la posibilidad de que los neutrinos pudieran ser la materia oscura tan invocada por los astrofísicos para explicar muchas observaciones. Pero el neutrino es demasiado liviano; su masa, unas doscientas mil veces menor que la del electrón, lo invalidan como candidato a materia oscura del universo.
Los neutrinos juegan un papel fundamental en las explosiones de las supernovas: son ellos los que expulsan el material de la estrella, contribuyendo a dispersar elementos pesados al medio interestelar. En la supernova 1987A se detectó la cantidad esperada de neutrinos, corroborando los modelos de explosiones estelares.
Te atraviesan impunemente los neutrinos. Partículas extrañas en el mundo cotidiano, pero imprescindibles en trance de comprender el mundo físico y sus intimidades.

La Noche Oscura Y La Paradoja De Olbers

¿Qué afirmación puede ser más evidente que decir que la noche es oscura? Y sin embargo, tras la inocencia de esa frase se esconde una verdad de profundas consecuencias cosmológicas.
Ya Kepler en 1610 había notado que si el número de estrella es ilimitado, en cualquier dirección que miremos debíamos toparnos con alguna, y por tanto el cielo nocturno debería de ser brillante.
La observación de Kepler fue advertida por el astrónomo Halley en la época de Newton, y más tarde, en el siglo XIX, discutida de manera muy precisa por Olbers. Desde entonces se le conoce como la Paradoja de Olbers.
Si suponemos que el universo en infinito, estático, y uniformemente poblado de estrellas que han existido eternamente, entonces resulta que la luz de todas ellas iluminaría intensamente cualquier punto del espacio. De la misma manera como en un bosque extenso, en cualquier dirección que miremos siempre nos encontraremos con el tronco de un árbol, en un universo así, en cualquier dirección siempre encontraremos una estrella, por muy alejada que esté. La bóveda celeste sería insoportablemente brillante, con una temperatura de unos 6000 grados, como la superficie del sol.
Naturalmente, esto no ocurre así. De allí el carácter paradójico de la observación. La lógica del universo newtoniano conduce a una contradicción con los hechos difícil de resolver.
Una o varias de las suposiciones hechas tiene que ser falsa.
Ocurre que las estrellas no han existido desde siempre: la suposición de que las estrellas han existido eternamente, es falsa. De acuerdo con la cosmología actual, las primeras estrellas se formaron unos 400 millones de años después del big bang, hace unos 13 mil millones de años. La luz de las estrellas muy distantes aún no ha tenido tiempo suficiente para llegar a nosotros. El universo puede ser infinito, pero el universo observable tiene un tamaño finito. El cielo nocturno es oscuro porque nos llega la luz tan sólo de un número limitado de estrellas, y esto es así porque estrellas y galaxias no han existido por siempre. Asombrosamente una explicación en estos términos fue hecha por el escritor inglés Edgar Allan Poe en su poema Eureka.
La ciencia recorre caminos curiosos. La inocente observación de la noche oscura nos estaba revelando la respuesta a una pregunta que no estábamos formulando. La noche oscura nos hablaba del big bang y no lo sabíamos.

Oh Sole Mío

La energía solar aparece como la gran esperanza de la civilización una vez que se agoten el carbón y el petróleo. Es tecnológicamente posible y relativamente económico, a través de paneles solares, convertir la energía solar en electricidad. Es de hecho utilizada en regiones donde otras fuentes de energía son de difícil acceso.
Sin embargo, para sustituir todas las fuentes de energía actuales por energía solar serían necesarias alrededor de un millón de kilómetros cuadrados de paneles solares, lo que equivale más o menos a la superficie de Venezuela.
Pero, para ser justos, todas nuestras fuentes de energía actuales, con excepción de la energía nuclear, provienen del sol.
Las energías fósiles: el carbón, el gas natural y el petróleo son los restos de plantas y animales que vivieron hace millones de años. Toda forma de vida sobre la Tierra se debe al sol y en consecuencia también la energía que obtenemos de los fósiles.
Las centrales hidráulicas recuperan la energía gravitacional del agua en movimiento. Los generadores convierten la energía gravitacional del agua en energía eléctrica que es transportada por hilos de cobre hasta nuestros hogares.
¿Pero que tiene que ver el sol con todo este proceso?
El calor del sol evapora el agua de los océanos, que es empujada por los vientos, que forman las nubes, y que finalmente cae en forma de lluvia o nieve formando ríos y cascadas.
Pero también la energía eólica proviene del sol. Sí, los vientos también son responsabilidad del sol. Los rayos del sol calientan la superficie de la Tierra, un poco por aquí, un poco por allá, en función de las estaciones, la latitud, las nubes y otros factores. Esto produce masas de aire a diferentes temperaturas en la superficie del globo terrestre. Las masas de aire caliente suben y las de aire frío bajan para reemplazarlas, el aire circula produciendo los vientos.
La propia energía nuclear del sol, la obtenida de la fusión nuclear que se produce en su núcleo, se traduce en luz y calor para nosotros, y todas nuestras fuentes de energía actuales provienen de esa luz y ese calor. Ellas son entonces energía solar, en el estricto sentido del término.
O sole mio, quiero que vivas
en todas mis canciones, mientras yo viva
cantaré por ti.

Escribió Eduardo di Capua y cantó Carusso, y con razón porque el sol es nuestro pasado, nuestro presente y nuestro futuro.

La Paradoja De Los Gemelos

Imaginemos que nacen dos gemelos, Vilma y Sergio. Inmediatamente Vilma es embarcada en una nave espacial que se aleja de la Tierra al 60% de la velocidad de la luz. Transcurridos 10 años en la Tierra, Vilma emprende el regreso que dura diez años más, y llega a tiempo para asistir a la celebración de los veinte años de Sergio. Los asistentes a la celebración constatan con asombro que ¡Vilma tiene tan sólo 16 años!
¿Ciencia ficción? ¿Trampas del lenguaje? ¿Fantasía de los físicos?
No, relatividad pura y dura.
Esta es la famosa paradoja de los gemelos. En realidad lo único paradójico es que a más de un siglo de haber sido creada la relatividad, exista quien crea que se trata de una paradoja.
No la hay. Es una predicción matemáticamente precisa y bien formulada de la teoría de la relatividad que el ritmo de un reloj en movimiento disminuye comparado con el de otro reloj idéntico que esté en reposo. Así, cuando un reloj realiza un viaje de ida y vuelta, el número de tic-tacs es menor que el del reloj estacionario; es decir, que ha envejecido menos.
Es un efecto real, consecuencia ineludible de que la velocidad de la luz es una constante universal que tiene el mismo valor independientemente del estado de movimiento del que la mida.
Tan real es el efecto que fue medido y corroborado experimentalmente. En 1971, Hafele y Keating colocaron relojes atómicos de cesio de gran precisión, en aviones comerciales que le dieron la vuelta al planeta, mientras que otro reloj idéntico permaneció en Washington. Al reunirlos detectaron que el reloj que viajó señalaba 275 nanosegundos menos que el quedó en tierra, en perfecto acuerdo con la predicción de la relatividad.
¿Por qué este comportamiento del tiempo nos luce tan extraño que pareciera violar nuestra intuición?
Porque las velocidades a las que estamos acostumbrados son pequeñísimas comparadas con la velocidad de la luz, y por eso los efectos de la dilación del tiempo son imperceptibles. Una persona viajando 80 años en un avión será apenas una milésima de segundo más joven que si se quedara en Tierra.
Lo asombroso de la ciencia es que es capaz de adentrarse en zonas muy alejadas de nuestra experiencia cotidiana y entender lo que allí ocurre; así el precio que debemos pagar, es sacrificar nuestra pobre y provinciana intuición.

Receta Para Un Universo

La humanidad puede sentirse orgullosa de entender razonablemente bien la estructura y composición de la materia a nuestro alrededor. Varios siglos de observaciones, experimentos y teorías nos han enseñado que estrellas, planetas, piedras, seres vivos, computadoras y mares; están compuestos de las mismas partículas fundamentales como quarks, electrones, fotones, neutrinos, gluones y unas cuantas más. Estas partículas interactúan entre ellas con diversas fuerzas y de acuerdo a leyes que conocemos razonablemente bien.
Sin embargo, y para devolvernos algo de la humildad perdida, los astrónomos nos informan que esta materia cuyos secretos hemos logrado en buena medida develar, forma apenas el 5% de la materia del universo. El 95% restante no es materia ordinaria ni nada que podamos estudiar en el laboratorio. El 25% de la masa del universo es una sustancia que llamamos materia oscura y el 70%, restante corresponde a la energía oscura.
¿Qué son la materia oscura y la energía oscura? La respuesta es decepcionante. No sabemos demasiado. Sabemos que la materia oscura no interacciona con la radiación electromagnética, es transparente y por eso no la vemos. Pero sí interactúa gravitacionalmente y por eso somos capaces de detectarla. Las galaxias están empotradas en un halo de materia oscura que jugó un papel importante en el origen de estas galaxias. La gravitación de la materia oscura evita que las estrellas se dispersen por la rotación de las galaxias. Pero no sabemos de qué tipo de partículas está constituida la materia oscura. Los físicos piensan que partículas exóticas formadas en el big bang pudieran ser buenas candidatas. En los gigantescos aceleradores de partículas se intenta simular, durante fracciones de segundo, las condiciones extremas que reinaban en el universo primigenio, para rastrear posibles partículas de esta misteriosa sustancia. Mientras tanto los físicos teóricos hurgan en sus ecuaciones, representaciones matemáticas de estas partículas.
La energía oscura, el 70% de la masa del universo es algo aún más extraño. Sabemos que no se agrega gravitacionalmente, y que actúa como una fuerza repulsiva que aleja a las galaxias a velocidades cada vez mayores, acelerando la expansión del universo.
La existencia de la energía oscura y la materia oscura nos hablan de un universo más complejo de lo que habíamos imaginado hace apenas unas décadas, y nos retan a que comprendamos sus intimidades. Sólo aclarando las oscuridades de la materia oscura, entenderemos mejor nuestro universo.

Relatividad y GPS

La teoría de la relatividad tiene fama de ser abstracta, de usar complejos conceptos matemáticos pertinentes sólo en presencia de descomunales campos gravitacionales y velocísimas partículas.
De acuerdo con esta creencia, la relatividad está alejada de nuestra experiencia cotidiana y no tiene ninguna aplicación práctica. Nada más alejado de la realidad.
Un ejemplo contundente de aplicación tecnológica de la teoría de la relatividad son los ya cotidianos relojes GPS, de uso tan común que muchos carros lo traen incorporados y los montañistas portan en sus muñecas para orientarse.
El sistema de posicionamiento global, o GPS es un conjunto de 24 satélites que orbitan a nuestro planeta a 20.000 Kilómetros de altura, viajando a unos 14.000 Kilómetros por hora. Cada satélite lleva relojes atómicos con precisión de una mil millonésima de segundo. Un reloj GPS recibe las señales de varios satélites. Los tiempos de llegada permiten conocer la localización absoluta de ese reloj, es decir, la latitud, longitud, y altura sobre el nivel del mar, con apenas unos cinco metros de imprecisión.
Para que el sistema GPS funcione adecuadamente, los relojes de los satélites deben estar muy bien sincronizados con los de la Tierra. Un adelanto o atraso de algunas millonésimas de segundo significan un error de unos diez kilómetros cada día.
Es precisamente aquí donde entra brillantemente la relatividad. De acuerdo con la teoría especial, un reloj en movimiento funciona más lento que uno en reposo; los relojes de los satélites atrasan respecto de los de tierra. Por otra parte, una de las predicciones de la relatividad general establece que la gravedad altera el flujo del tiempo: los relojes en la tierra marcha más lentos que los que están en los satélites, porque están sometidos a una mayor gravedad.
Tomando en cuenta ambos efectos relativistas, los científicos son capaces de predecir que en los satélites el tiempo fluye 38 millonésimas de segundo al día más rápido. Por pequeña que parezca esta cantidad, los ingenieros que diseñan los relojes tienen que tomarla en cuenta para que los GPS permanezcan sincronizados.
Einstein nunca soñó que sus teorías fundamentales que alteraron por siempre nuestras queridas nociones acerca del tiempo y el espacio, pudieran tener alguna aplicación tan práctica como señalar el rumbo de un avión o dar la posición de un excursionista.
A veces las investigaciones más abstractas nos sorprenden con inesperadas consecuencias tecnológicas; porque así de extraños son los caminos de la ciencia.

Vida Y Muerte De Una Estrella

Nadie puede eludir el encanto del cielo nocturno. Alrededor de 2000 estrellas visibles a simple vista nos cautivan. Los telescopios modernos nos revelan que sólo en nuestra galaxia, la Vía Láctea, hay más de 200 mil millones estrellas. Un número similar hay en cada una de las cien mil millones de galaxias que hay en el universo observable. Números tan grandes, aterran: hay más estrellas en el cielo que granitos de arena en todas las playas de nuestro planeta. De todas ellas destaca el Sol, nuestra estrella privada, simplemente porque está más cerca.
En tiempos recientes hemos logrado conocer a ciencia cierta muchos aspectos del nacimiento, vida y muerte de las estrellas.
Las estrellas se forman por atracción gravitacional de grandes nubes de gas, principalmente hidrógeno. La fuerza de gravedad la comprime hasta que las altas temperaturas encienden reacciones termonucleares en su centro: miles de bombas de hidrógeno que estallan continuamente transformando hidrógeno en helio y luego en elementos más pesados. La radiación resultante detiene y equilibra el colapso. Durante cientos de millones de años, la vida de una estrella es la batalla entre la gravedad y la radiación.
En algún momento el combustible nuclear se agota, la gravedad ganará la batalla y sobreviene la fase final de la evolución de la estrella. Su destino depende crucialmente de su masa. Las más livianas, como nuestro sol, luego de pasar por varias etapas, colapsan dejando un remanente llamado enana blanca, una estrella del tamaño aproximado de la Tierra pero mucho más densa.
Si la masa es mayor, la estrella se transforma en una supernova, estalla en una explosión que dispersa al medio interestelar los elementos pesados como carbono, oxígeno, calcio y nitrógeno, que se han formado en su interior. Estos elementos se reagruparán en nuevas estrellas y planetas que contienen los elementos primordiales de la vida. Cada uno de nuestros átomos fue cocinado alguna vez en los hornos de estrellas ya desaparecidas. El remanente de la supernova es una estrella de neutrones, de apenas 10 kilómetros de radio, pero una cucharadita de ella pesa más que todas las personas del planeta.
Si la masa es mayor todavía, se piensa que su destino es aun más exótico: terminará como un agujero negro.
Conocemos mucho de las estrellas porque sus altas temperaturas las convierten en objetos relativamente simples. Sabemos más de las estrellas, que de las fluctuantes economías de nuestros países.

Jurisprudencia Universal

Los periódicos reseñaron la noticia. Un equipo de ingenieros que asesoraba a un jefe civil concluyó que la represa no podía construirse porque lo prohibía la ley de la gravedad. El gobernante enardecido mandó a averiguar si esa ley era municipal, estadal o nacional, porque él iba a derogarla y a construir su represa.

Naturalmente que no pudo. La ley de la gravitación es universal, de cumplimiento obligatorio. Es válida siempre y en todo lugar del universo.

El desarrollo de la ciencia ha sido, en buena medida, la formulación exitosa de leyes universales que capturan las regularidades del mundo físico. Son las leyes naturales.

¿Por qué existen leyes? Honestamente no lo sabemos, hay algo de fe en la creencia de que la realidad está codificada por leyes que podemos y debemos descubrir. Ciertamente podemos figurarnos un mundo errático, desprovisto de leyes, absurdamente azaroso; pero en un mundo así no podría emerger la formidable complejidad que llamamos vida. Un mundo sin regularidades sería un mundo sin nadie que atestigüe la ausencia de leyes.

Las leyes fundamentales propician la aparición de estructuras complejas; desde las minúsculas escalas de los quarks en el mundo subatómico, hasta las descomunales distancias astronómicas de las galaxias y la expansión del universo, hemos descubierto estructuras gobernadas por leyes.

Entender un fenómeno es entender las leyes que le subyacen. Usualmente las leyes pueden expresarse en forma matemática; al fin y al cabo la matemática es el estudio sistemático de todos los patrones posibles.

A medida que indagamos más profundamente en la realidad, las leyes son menos intuitivas y más abstractas; las matemáticas más sofisticadas. Esta abstracción es el precio que tenemos que pagar para comprender estratos de la realidad muy alejados de la experiencia cotidiana.

Los físicos han encontrado que el conjunto de leyes que regulan el mundo, pareciera converger a unas cuantas leyes fundamentales. Esta observación ha estimulado la búsqueda frenética de una ley final que unifique todas las interacciones. ¿Existirá una teoría final capaz de unificar todas las interacciones? Podría ocurrir que, como las capas de una cebolla interminable, siempre consigamos nuevas estructuras y nuevas leyes.

También puede ser que exista, pero que no seamos suficientemente inteligentes como para descifrarla. Una ley no computable por nuestro cerebro.

Podríamos no conocer jamás la ley final, pero como el jefe civil del comienzo del programa, estaríamos obligados a cumplirla porque el desconocimiento de la ley no te exime de su cumplimiento.

Imposibilidades

Es un lugar común afirmar que la ciencia ha expandido los límites de lo posible. Pero también es cierto que ha descubierto sus propias imposibilidades y ha trazado sus propios límites.

Sin límites entre lo posible y lo imposible, no hubiera ciencia. De una manera fundamental la ciencia reconoce que hay límites que no pueden ser transgredidos. La noción de lo imposible ha jugado un papel muy importante en la comprensión del mundo.

Hay límites de orden práctico, como limitaciones de presupuesto, o de tiempo. Pero hay límites impuestos por la propia naturaleza, que nos hablan de una imposibilidad intrínseca y definitiva.

La relatividad nos reveló la imposibilidad de superar la velocidad de la luz. Esto quiere decir que hay distancias que no podrán ser cubiertas, observaciones que no podrán ser hechas jamás, por ejemplo, observaciones del interior del horizonte en un agujero negro. En retribución, la relatividad nos enseñó a conocer mejor al tiempo y al espacio.

La física cuántica nos reveló la imposibilidad de medir con certeza la posición y velocidad de una partícula. En efecto, el Principio de Incertidumbre establece que mientras más exactamente medimos la posición, más incierta se vuelve la velocidad, y viceversa. El propio acto de medir perturba al sistema que se mide de una manera incontrolada. Hay una imposibilidad fundamental de predecir con certeza, que hace que las leyes de la microfísica sólo pueden tener carácter probabilista. En retribución la física cuántica nos enseña la estructura de la materia.

Godel demostró rigurosamente que todo sistema lógico permite hacer afirmaciones que no podemos conocer si son verdaderas o no. Eso quiere decir que ni siquiera las matemáticas, sobre las que se asienta nuestro conocimiento de la naturaleza, es inmune a límites fundamentales. Turing demostró la existencia de problemas no computables. Su veracidad no puede demostrarse corriendo un programa de computación durante un tiempo finito.
La ciencia ha descubierto que hay una variedad de fenómenos complejos cuyas leyes de evolución son altamente sensibles a pequeñísimas perturbaciones; por eso es imposible predecir el resultado de cambios evolutivos en poblaciones biológicas, o predecir el clima a largo plazo.

Cuando una teoría descubre sus limitaciones, cuando reconoce que hay observaciones que no podrá hacer, cuando predice que ya no puede predecir, cuando descubre que hay proposiciones que no podrá juzgar si son ciertas o no, es posible que en ese momento la teoría nos esté revelando una verdad profunda sobre el mundo físico.

Hágase La Luz

Casi todo lo que conocemos del universo lo conocemos gracias a la luz. La luz es portadora de una información valiosísima acerca de los objetos que la emiten o la reflejan. Aprender a decodificar la información que ella trae consigo es vital para establecer teorías y comprender el mundo físico. Por eso los científicos han hecho un enorme esfuerzo para entender el comportamiento y la naturaleza de la luz.

Aprendimos que la luz es un campo electromagnético oscilante, emitido por cargas eléctricas aceleradas, por ejemplo electrones, y que es capaz de viajar en el vacío. También sabemos que la luz visible, formada por los diversos colores del arco iris, es apenas una parte de una extensa familia de radiaciones electromagnéticas que incluye a las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Nuestros ojos no detectan estas radiaciones pero hemos aprendido a construir telescopios y detectores que captan estas otras frecuencias y podemos mirar el universo en esas otras bandas.

Sabemos que los átomos de los elementos químicos emiten luz o radiación a determinadas frecuencias, formando una suerte de código de barras llamado espectro, que identifica a cada elemento. Así podemos conocer la composición de las estrellas.

Aprendimos que la luz está formada por partículas individuales llamadas fotones que se mueven a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz, que es por lo tanto una constante universal. Entender esto llevó a la teoría de la relatividad y a un mejor entendimiento de nuestras nociones de espacio y tiempo. Cuando vemos estrellas o galaxias, las vemos como eran cuando emitieron la luz que hoy nos llega; por eso detectar la luz de objetos distantes es una forma de viajar al pasado y conocer cómo ha evolucionado el universo.

El espectro de la luz de galaxias lejanas nos indica que ellas se alejan de nosotros: es la luz mostrándonos la expansión del universo.

El universo contiene una radiación uniforme de microondas, llamada radiación cósmica de fondo, vestigio de un universo joven y muy brillante. La radiación cósmica y sus detalles permiten conocer valiosos datos acerca de la geometría y composición del universo.

Tan prodigiosa como la luz misma, es la habilidad de la humanidad para reconstruir una historia cósmica, de la que somos hijos, observando las luces que nos envían los objetos del universo.

Gracias A La Gravedad

Hay muchísimas razones para que nos sintamos agradecidos con la fuerza de gravedad. A pesar de que es una fuerza formidablemente más débil que las fuerzas nucleares y que las fuerzas eléctricas, ella, la gravedad, gobierna al mundo físico macroscópico y por eso le debemos estar agradecidos.

La gravedad que ejerce la Tierra nos obliga a permanecer sobre su superficie, y no flotando en el espacio con una sensación continua de estar cayendo como la que sienten los astronautas.

Gracias a esta misma fuerza nuestro planeta disfruta de una atmósfera que nos permite respirar y además se encarga de filtrar algunas radiaciones dañinas emitidas por el sol.

Gracias a la fuerza de gravedad la Tierra permanece orbitando al sol a una distancia prudencial, manteniendo unas temperaturas amables, en lugar de vagar libremente por el espacio.

Además, el Sol brilla porque en su interior ocurren reacciones nucleares gracias a que la gravedad lo comprime tanto contra sí mismo que ocasiona altísimas presiones y temperaturas. De la misma manera las estrellas del universo brillan gracias a que la gravedad genera reacciones nucleares en sus centros.

Por si fuera poco, el propio material del que estamos hechos, los átomos pesados como carbono, oxígeno y nitrógeno son un desecho de estas reacciones nucleares, que quedan dispersas en el medio interestelar luego del estallido de supernovas, gracias a la gravedad. Y de nuevo, gracias a la gravedad, estos materiales se atraen entre sí, se juntan en nuevas estrellas y nuevos planetas que, como la Tierra, tienen átomos pesados apropiados para la aparición de la vida.

Pero además, la propia existencia de las estrellas y de las gigantescas agrupaciones de estrellas que llamamos galaxias, se debe a la gravedad: Hubo una época en la que no había estrellas ni galaxias y el universo era muy homogéneo. A partir de pequeñísimas grumosidades, la gravedad se encargó de producir condensaciones cada vez más densas hasta que las altas temperaturas dispararon las reacciones nucleares originando las primeras estrellas. Esto ocurrió unos 200 millones de años después del big bang.

La expansión del universo está controlada por la fuerza de la gravedad y hasta el propio big bang fue un evento gobernado por la gravedad.

Es un mérito de la ciencia de las últimas décadas haber comprendido el papel de la gravedad en esta especie de Ecología Cósmica, creando las condiciones adecuadas para poder afirmar: ¡gracias gravedad, por los favores recibidos!

Geometría Y Gravitación

Dibujemos un círculo y dividamos su perímetro entre su diámetro. El resultado es el famoso número Pi. Dos rectas paralelas nunca se cruzan. Los ángulos de un triángulo siempre suman 180 grados.

Estas afirmaciones son resultados de la vieja y noble geometría que Euclides y los griegos legaron a la posteridad, para gloria de la humanidad y mortificación de los estudiantes.

La geometría euclidiana tuvo la exclusividad, durante más de 2000 años, de representar fielmente el espacio físico a nuestro alrededor. Pero a mediados del siglo XIX los matemáticos descubrieron con sorpresa que había otras geometrías posibles. Estas otras geometrías eran diferentes a la de Euclides, eran perfectamente consistentes y describían espacios curvos. La vieja y noble geometría de nuestros tormentos no era la única geometría lógicamente posible.

¿Por qué la geometría de Euclides reina tan eficazmente en el mundo? ¿Por qué con ella aun construimos edificios y describimos el movimiento de los planetas? ¿Podrá una geometría no euclidiana describir el espacio en circunstancias exóticas y extremas?

Asombrosamente las respuestas a esas preguntas tienen que ver con la gravedad. De acuerdo con Einstein, la gravedad es una manifestación de la curvatura del espacio. Si en una región no existe gravedad o es muy débil, el espacio es euclidiano y su geometría será la geometría usual de Euclides. En cambio, en regiones donde la gravedad es muy intensa, el espacio es curvo y la geometría no es euclidiana.

En la superficie de nuestro planeta, la gravedad es muy débil. Por eso la geometría de Euclides es válida y además nos parece intuitiva, porque durante cientos de miles de años evolucionamos como especie biológica en ese espacio euclidiano.

En la superficie de una estrella neutrónica, donde la gravedad es millones de veces más fuerte que en la Tierra, la geometría es un 20% diferente a la de Euclides.

Ni la geometría del espacio, ni el flujo del tiempo están dados de manera absoluta. Ellos dependen de las condiciones físicas particulares.

La geometría es la responsable de que los rayos de luz se curven alrededor de las estrellas, o queden atrapados inexorablemente en los agujeros negros. A escala del universo, el espacio se expande, como una geometría euclidiana cuyas distancias aumentan con el tiempo.

Son nociones fascinantes que a veces violentan nuestro sentido común, pero que nos enseñan que el mundo es siempre más interesante de lo que pensamos.

El Universo Y La Ciencia

¿Es posible entender el universo?, o mejor dicho, ¿Es posible que la ciencia pretenda abordar con sus métodos, al universo?

La respuesta es un rotundo SI.

El siglo XVIII fue testigo de cómo la humanidad comprendió el funcionamiento del sistema solar. En el siglo XIX aprendimos y comprendimos la naturaleza de los fenómenos electromagnéticos. En la primera mitad del siglo XX desentrañamos las propiedades cuánticas de la materia. Del mismo modo, es un logro de la ciencia de finales del siglo XX haber demostrado que el universo no es inmutable sino que evoluciona de acuerdo a ciertas leyes que podemos y debemos comprender.

El primer artículo científico sobre el universo fue escrito por Einstein en 1917, antes de que se observara la expansión de las galaxias. El modelo de universo que Einstein propone, es estático y por eso no se corresponde con la realidad.

Hoy los artículos científicos, publicados en revistas especializadas de prestigio, dedicados al universo se cuentan por miles al año. La cosmología, es decir, la ciencia del universo, se enseña actualmente en cursos universitarios y sus especialistas se reúnen en congresos, como los de cualquier otra disciplina. Los estudios acerca del universo ya no pertenecen a las religiones ni a la filosofía. El universo ha entrado en los linderos de la ciencia.

La razón de este progreso es fácil de entender: la tecnología actual permite a los científicos tener una enorme cantidad de datos valiosos. Tenemos enormes telescopios en tierra, y observatorios espaciales orbitando el planeta, observando en diversas longitudes de onda: luz visible, rayos x, infrarrojo, ondas de radio. Poderosas computadoras capaces de almacenar y manejar los datos y finalmente el desarrollo de teorías capaces de darle sentido a los datos. No podía ser de otro modo; es la afortunada conjunción de las observaciones precisas y de teorías exitosas, lo que ha permitido ir afinando modelos que se parezcan al universo real. Y los modelos permiten obtener respuestas cada vez más precisas acerca de las preguntas ancestrales: ¿Es el universo finito o infinito?, ¿Es eterno o tuvo un origen? ¿Cuál es su composición?, ¿De qué está hecho?

El formidable descubrimiento de que, al igual que los planetas, las estrellas y las galaxias, todo el universo evoluciona, abrió las puertas para que la ciencia, con su modestia, pero también con su arrogancia, lo indague, lo estudie y nos diga todo lo sorprendente que puede ser.

El Fotón

La luz es un componente fundamental del mundo físico, no hay duda. Desentrañar su comportamiento es entender mejor el universo en el que vivimos.

La luz, y cualquier tipo de radiación, están compuestas por partículas elementales llamadas fotones que no evidencian ninguna estructura, no tienen partes, son fundamentales. Además no pueden estar en reposo, se mueven siempre a 300.000 Km/seg en el vacío. En medios materiales el fotón es absorbido y reemitido por los átomos de la materia y por tanto su velocidad es menor. Los fotones no tienen carga eléctrica y su masa es cero; sin embargo, transportan energía y cantidad de movimiento, por eso interactúan con las partículas cargadas.

Un bombillo de 100 vatios emite unos cien mil millones de millardos de fotones cada segundo. Por eso fue tan tardío el descubrimiento de que la luz no es continua y hasta comienzos del siglo XX se pensaba que era una onda electromagnética continua y no un enjambre de fotones individuales. La descripción ondulatoria explica algunas observaciones. Pero no todas. Cuidadosos experimentos revelaron la existencia de estos paquetes de energía. Por ejemplo el efecto fotoeléctrico en el que un haz de luz arranca electrones al incidir sobre un metal, no puede entenderse sin invocar la noción de fotón. Por la explicación de este fenómeno, Einstein se mereció el premio Nobel en 1921.

Lo único que puede distinguir a un fotón de otro, es su frecuencia y por tanto su energía. En los fotones de la luz visible la sensación de color está asociada a distintas frecuencias: mayores para los tonos azules y menores para los rojos. Si la frecuencia es menor aún, encontramos los fotones de la radiación infrarroja, microondas y de radio. Su energía es muy baja para activar nuestra retina y por eso no los vemos. Si la frecuencia es muy alta, tampoco activan nuestra retina. Son por ejemplo los fotones ultravioleta, de rayos X o fotones gamma, de altísimas energías.

Los fotones son las más numerosas de las partículas elementales conocidas. Por cada protón o electrón hay alrededor de mil millardos de fotones de origen cosmológico. Unos cuatrocientos de ellos de origen cosmológico están presentes en cada centímetro cúbico de nuestro universo.

Afortunadamente la física contemporánea comprende bastante bien a los fotones y sus interacciones con la materia. Gracias a los fotones y a esta comprensión podemos mirar mejor al universo.

Dimensiones Extras

El espacio tiene tres dimensiones. Ese es un conocimiento anclado en nuestra percepción de la realidad gracias a cientos de miles de años de evolución. Euclides formalizó esta intuición y creó la geometría euclidiana tridimensional según la cual, bastan tres números para ubicar cada punto del espacio. Los matemáticos del siglo XIX desarrollaron geometrías no euclidianas N-dimensionales y Einstein basó su teoría de la gravitación en una geometría no euclidiana cuadridimensional. Pero aun en la relatividad, el espacio sigue siendo de tres dimensiones y el tiempo de una dimensión. Las más sofisticadas teorías de las partículas elementales a altas energías, aceptan que el espacio es tridimensional.

¿Por qué hay tres dimensiones espaciales? ¿Es producto de una inexorable ley física?, o por el contrario ¿es producto de un azar, un accidente en la evolución de nuestro universo? Si la relatividad descubrió que el espacio puede ser no euclidiano, ¿no podría tener también dimensiones adicionales?

La mejor descripción que tenemos de la materia a la menor de las escalas posibles es la teoría cuántica. Ella explica cualquier experimento que podamos hacer en el laboratorio. Pero ella ignora rotundamente la gravedad.

Por otra parte, a gran escala, la fuerza dominante es la gravedad, que explicamos con la relatividad general. Pero la relatividad ignora los fundamentos cuánticos. Ninguna de ellas por separado puede ser completa. Los físicos realizan esfuerzos por crear una teoría unificada que contemple las incertidumbres cuánticas, junto con la curvatura del espacio-tiempo.

La mejor candidata para teoría unificada es la teoría de las supercuerdas. En ella las partículas elementales son representadas como minúsculas cuerdas que vibran y los distintos modos de vibración corresponden a tipos diferentes de partículas.

Para que la teoría sea consistente y libre de contradicciones, las supercuerdas requieren un espacio de nueve dimensiones. Los físicos sugieren que seis de esas dimensiones son compactas, están enrolladas a una escala ultramicroscópica, así como una hoja de papel tiene dos dimensiones grandes y su espesor, que es muy pequeño.

Actualmente se realizan experimentos para detectar las consecuencias de las dimensiones extras: desviaciones de la ley de gravitación universal en escalas de fracciones de milímetros, o pequeñísimas violaciones de la conservación de la energía en violentas colisiones en los aceleradores de partículas. De aparecer evidencias de dimensiones adicionales, el reto será explicar porqué en los primerísimos instantes del universo sólo tres dimensiones se hicieron macroscópicas. Habremos entendido un aspecto fundamental del universo: las dimensiones del espacio.