Aquí cada día, elegimos una cuestión distinta que se relaciona, de alguna manera, con la ciencia que está repartida en niveles del saber denominados: Matemáticas, Física, Química,Astronomía, Astrofísica, Biología, Cosmología… y, de vez en cuando, nos preguntamos por el misterio de la vida, el poder de nuestras mentes evolucionadas y hasta dónde podremos llegar en nuestro camino, y, repasamos hechos del pretérito que nos trajeron hasta aquí. Bueno, de hecho, también especulamos con eso que llamamos futuro, y, nos preguntamos si estamos haciendo bien las cosas para evitar que, podamos crear alguna especie artificial que nos esclavice.
Algunos postulan que el Universo surgió de la nada, y, desde luego, la Nada, como la Eternidad o la Infinito, ¡no existen! Tengo claro que, si surgió… ¡Es porque había! Hablamos de una singularidad, un punto de densidad y energías infinitas de donde pudo surgir todo lo que existe, le llamamos Big Ban y, al menos por el momento, es el Modelo más aceptado. Sin embargo, seguros seguros de que así sea… ¡No lo podemos estar! Existen muchas incognitas y preguntas sin contestar sobre ese supuesto suceso que… más de diez millones de años más tarde, nos trajo hasta aquí.
Lo que sucede primero, no es necesariamente el principio. Antes de ese “Principio”, suceden algunas cosas que nosotros no hemos podido o sabido percibir. Sin embargo, hay cosas que no cambian nunca. Hace tiempo, los sucesos que constituían historias eran las irregularidades de la experiencia. Sabemos que lo que no cambia son las Constantes de la Naturaleza pero, tampoco cambia el Amor de una madre por un hijo, la salida y la puesta del Sol, nuestra curiosidad, y otras muchas cosas que conviven con nosotros en lo cotidiano.
Hay cosas en la Naturaleza que son inmutables
Poco a poco, los científicos llegaron a apreciar el misterio de la regularidad y lo predecible del mundo. Pese a la concatenación de movimientos caóticos e impredecibles de átomos y moléculas, nuestra experiencia cotidiana es la de un mundo que posee una profunda consistencia y continuidad. Nuestra búsqueda de la fuente de dicha consistencia atendía primero a las leyes de la Naturaleza que son las que gobiernan como cambian las cosas. Sin embargo, y al mismo tiempo, hemos llegado a identificar una colección de números misteriosos arraigados en la regularidad de la apariencia. Son las Constantes de la Naturaleza que, como la carga y la masa del electrón o la velocidad de la luz, le dan al Universo un carácter distintivo y lo singulariza de otros que podríamos imaginar. Todo esto, unifica de una vez nuestro máximo conocimiento y también, nuestra infinita ignorancia.
En esta galaxia también están presentes las constantes de la Naturaleza
Esos números misteriosos (el valor de esas constantes fundamentales), son medidos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invariancia. Sin embargo, no podemos explicar sus valores. ¿Por qué la constante de estructura fina vale 1/137? Nadie puede contestar a esa “simple” pregunta. Sabemos que ahí, en esa constante, están involucrados los tres guarismos h, e, y c. El primero es la constante de Planck (la mecánica cuántica), el segundo el Electrón (el electromagnetismo), y, el tercero, la velocidad de la luz (la relatividad especial de Eisntein).
A pesar del cambio incesante y la dinámica del mundo visible, existen aspectos misteriosos del ritmo del Universo que son inquebrantables en su constancia, así lo podemos comprobar en la fuerza gravitatoria o en la velocidad de la luz en el vacío entre otros. Son estas misteriosas cosas invariables las que hacen de nuestro Universo el que es y lo distingue de otros muchos que pudiéramos imaginar. Existe un hilo invisble que teje incesante una continuidad a lo largo y a lo ancho de toda la Naturaleza: Algunas cosas cambian para que todo siga igual.
Allí lejos, en esos otros mundos que, situados en galaxias lejanas son parecidos al nuestro, seguramente también, pasarán las mismas cosas que aquí.
En regiones lejanas del Universo, por muy extrañas que nos pudieran parecer, también estarían regidas por las mismas constantes de la Naturaleza que en la nuestra, el Sistema solar. Esas constantes están presentes en todas partes y, al igual que las cuatro fuerzas fundamentales, disponen que todo transcurra como debe ser.
Así que, tomando como patrón universal esas constantes, podemos esperar que ciertas cosas sean iguales en otros lugares del espacio además de la Tierra, lo único que in situ, conocemos. Hasta donde nuestros conocimientos han llegado también parece razonable pensar que dichas constantes fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy, ya que, para algunas cosas, ni la historia ni la geografía importan. De hecho, quizá sin un substrato semejante de realidades invariables no podrían existir corrientes superficiales de cambio ni ninguna complejidad de mente y materia. Todos sabemos, por ejemplo que, si la carga del electrón variara aunque sólo fuese una diez millonésima parte de la que es, la vida no podría existir.
Esas constantes hacen posible nuestra presencia aquí
La invariancia de las constantes hace posible que nuestro Universo contenga las maravillas que podemos en él observar. Sin embargo, a lo largo de la historia muchos se han empeñado en hacerlas cambiar…pero no lo consiguieron. No pocas veces tenemos que leer en la prensa o revistas “especializadas” noticas como estas:
“Nueva evidencia sostiene que los seres humanos vivimos en un área del Universo que está hecha especialmente para nuestra existencia. ¿Según los cientificos? Esto es lo que más se aproxima a la realidad. El controversial hallazgo se obtuvo observando una de las constantes de la naturaleza, la cual parece ser diferente en distintas partes del cosmos.”
Desde luego, no estoy muy conforme con esto, ya que, si es verdad que nosotros no podríamos vivir junto a un Agujero negro gigante, que por otra parte, no deja de ser un objeto singular que se sale de lo corriente. La normalidad son estrellas y planetas que, en las adecuadas circunstancias, tendrán las mismas cosas que aquí podemos observar mirando al Sol y los planetas que lo circundan, donde unos podrán contener la vida y otros no, dado que la presencia de una atmósfera y agua líquida determina lo que en ellos pueda estar presente.
El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales. Lo primero, uno de los pilares fundamentales de la relatividad especial es el postulado de que las leyes de la física son las mismas con independencia del observador. Esto fue una generalización de lo que ya se sabía cuando se comenzó a estudiar el campo electromagnético, pero todo lo que sabemos en la actualidad nos lleva a concluir que Lo que ocurra en la Naturaleza del Universo está en el destino de la propia Naturaleza del Cosmos, de las leyes que la rigen y de las fuerzas que gobiernan sus mecanismos sometidos a principios y energías que, en la mayoría de los casos, se pueden escapar a nuestro actual conocimiento.
Los posibles futuros de nuestro universo
Yo aconsejaría a los observadores que informaron y realizaron “el estudio” (que se menciona más arriba) que prestaran más atención o que cambiaran los aparatos e instrumentos de los que se valieron para llevarlo a cabo, toda vez que hacer tal afirmación, además de osados, se les podría calificar de incompetentes.
De estar en lo cierto, tal informe se opondría al principio de equivalencia de Albert Einstein, el cual postula que las leyes de la física son las mismas en cualquier región del Universo. “Este descubrimiento fue una gran sorpresa para todos”, dice John Webb, de la Universidad de New South Wales, en Sidney (Australia ), líder del estudio que sigue diciendo: Aún más sorprendente es el hecho de que el cambio en la constante parece tener una orientación, creando una “dirección preferente”, o eje, a través del Universo. Esa idea fue rechazada más de 100 años atrás con la formulación de la teoría de la relatividad de Einstein que, de momento, no ha podido ser derrocada (aunque muchos lo intentaron).
Los autores de tal “estudio” se empeñaron en decir que:
“La Tierra se ubica en alguna parte del medio de los extremos, según la constante “alpha”. Si esto es correcto, explicaría por qué dicha constante parece tener un valor sutilmente sintonizado que permite la química, y por lo tanto la vida, como la conocemos.
Con un aumento de 4% al valor de “alpha”, por ejemplo, las estrellas no podrían producir carbón, haciendo nuestra bioquímica imposible, según información de New Scientist.”
Siendo cierto que una pequeña variación de Alfa, no ya el 4%, sino una simple diezmillonésima, la vida no podría existir en el Universo. Está claro que algunos, no se paran a la hora de adquirir una efímera notoriedad, ya que, finalmente, prevalecerá la verdad de la invariancia de las constantes que, a lo largo de la historia de la Física y la Cosmología, muchas veces han tratado de hacerlas cambiantes a lo largo del tiempo, y, sin embargo, ahí permanecen con su inamovible estabilidad.
Veamos por encima, algunas constantes:
La Constante de Gravitación Universal: G
La primera constante fundamental es G, la que ponemos delante de la fórmula de la gravedad deNewton. Es una simple constante de proporcionalidad pero tambien ajusta magnitudes: se expresa en N*m2/Kg2.
Es tal vez la constante peor medida (sólo se está seguro de las tres primeras cifras…), y como vemos la fuerza de la gravedad es muy débil (si no fuera porque siempre es atractiva ni la sentiríamos).
La Constante Electrica: K
No confundir con la constante K de Bolzman para termodinamica y gases…
La ley de Coulom es practicamente igual a la de la gravitación de Newton, si sustituimos las masas por las cargas, es inversa al cuadrado de la distancia y tiene una constante de proporcionalidad llamada K. La constante es la de de Coulomb y su valor para unidades del SI es K = 9 * 109 * N* m2 / C2
La velocidad de la luz c = 299.792.458 m/s y se suele aproximar por 3·10^8m/s
Según la teoría de la relatividad de Einstein, ninguna información puede viajar a mayor velocidad que la luz. Científicos australianos afirman, sin embargo, haber desarrollado las fórmulas que describen viajes más allá de este límite. ¡Será por soñar!
Que la velocidad de la luz es una constante se comprobó hasta la saciedad en diversos experimentos, como el famoso experimento Michelson-Morley que determinó mediante un interferómetro que la velocidad de la luz no dependía de la velocidad del objeto que la emitía, esto descartó de golpe la suposición de que hubiera un “eter” o sustancia necesaria por la que se propagara la luz.
En su lugar aparecieron las famosas transformaciones de Lorentz. La contracción de Lorentz explicaba el resultado del experimento. La rapidez constante de la luz es uno de los postulados fundamentales (junto con el principio de causalidad y la equivalencia de los marcos de inercia) de la Teoría de la Relatividad Especial.
Así que, amigos míos, esas cantidades conservarán su significado natural mientras la ley de gravitación y la de la propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos. A tal respecto Max Planck solía decir:
“Por lo tanto, al tratarse de números naturales que no inventaron los hombres, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos” .
En sus palabras finales alude a la idea de observadores situados en otros lugares del Universo que definen y entienden esas cantidades de la misma manera que nosotros, sin importar que aparatos o matemáticas pudieran emplear para realizar sus comprobaciones.
Estaba claro que Planck apelaba a la existencia de constantes universales de la Naturaleza como prueba de una realidad física completamente diferente de las mentes humanas. Pero él quería ir mucho más lejos y utilizaba la existencia de estas constantes contra los filósofos positivistas que presentaban la ciencia como una construcción enteramente humana: puntos precisos organizados de una forma conveniente por una teoría que con el tiempo sería reemplazada por otra mejor. Claro que Planck reconocía que la inteligencia humana, al leer la naturaleza había desarrolado teorías y ecuaciones para poder denotarlas pero, sin embargo, en lo relativo a las constantes de la naturaleza, éstas habían surgido sin ser invitadas y, como mostraban claramente sus unidades naturales (unidades de Planck) no estaban escogidas exclusivamente por la conveniencia humana.
La velocidad de c incide en todo el universo
Las constantes de la Naturaleza inciden en todos nosotros y, sus efectos, están presentes en nuestras mentes que, sin ellas, no podrían funcionar de la manera creadora e imaginativa que lo hacen. Ellas le dan el ritmo al Universo y hacen posible que todo transcurra como debe transcurrir.
Es curioso comprobar que, una de las paradojas de nuestro estudio del Universo circundante es que a medida que las descripciones de su funcionamiento se hacen más precisas y acertadas, también se alejan cada vez más de toda la experiencia humana que, al estar reducidas a un ámbito muy local y macroscópico, no puede ver lo que ocurre en el Universo en su conjunto y, por supuesto, tampoco en ese otro “universo” de lo infinitesimal que nos define la mecánica cuántica en el que, cuando nos acercamos, podemos observar cosas que parecen fuera de nuestro mundo, aunque en realidad, sí que están aquí.
La revolución de la mecánica cuántica empieza a materializarse, y el qubit es el principal protagonista. Siendo la unidad mínima de información de este extraño mundo, permitirá procesar toda la información existente en segundos. La revolución de la mecánica cuántica empieza a materializarse, y el qubit es el principal protagonista. Siendo la unidad mínima de información de este extraño mundo, permitirá procesar toda la información existente en segundos.
No podemos descartar la idea de que, en realidad, puedan existir “seres también infinitesimales” que, en sus “pequeños mundos” vean transcurrir el tiempo como lo hacemos nosotros aquí en la Tierra. En ese “universo” especial que el ojo no puede ver, podrían existir otros mundos y otros seres que, como nosotros, desarrollan allí sus vidas y su tiempo que, aunque también se rigen por las invariantes constantes universales, para ellos, por su pequeñez, el espacio y el tiempo tendrán otros significados. Si pensamos por un momento lo que nosotros y nuestro planeta significamos en el contexto del inmenso universo… ¿No viene a suponer algo así?
Einstein nos dejó dichas muchas cosas interesantes sobre las constantes de la Naturaleza en sus diferentes trabajos. Fue su genio e intuición sobre la teoría de la relatividad especial la que dotó a la velocidad de la luz en el vacío del status especial como máxima velocidad a la que puede transmitirse información en el Universo. El supo revelar todo el alcance de lo que Planck y Stoney simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una de las constantes sobrehumanas fundamentales de la Naturaleza.
La luz se expande por nuestro Universo de manera isotrópica, es decir, se expande por igual en todas las direcciones. Así actúan las estrellas que emiten su luz o la bombilla de una habitación. Cuando es anisotrópica, es decir que sólo se expande en una dirección, tendríamos que pensar, por ejemplo, en el foco de un teatro que sólo alumbra a la pianista que nos deleita con una sonata de Bach.
La luz de las estrellas: Podemos ver como se expande por igual en todas las direcciones del espacio (Isotrópica)
Claro que, cuando hablamos de las constantes, se podría decir que algunas son más constantes que otras. La constante de Boltzmann es una de ellas, es en realidad una constante aparente que surje de nuestro hábito de medir las cosas en unidades. Es sólo un factor de conversión de unidades de energía y temperatura. Las verdaderas constantes tienen que ser números puros y no cantidades con “dimensiones”, como una velocidad, una masa o una longitud.
Las cantidades con dimensiones siempre cambian sus valores numéricos si cambiamos las unidades en las que se expresan.
Las constantes fundamentales determinan el por qué, en nuestro Universo, las cosas son como las observamos.
Y, a todo esto, la teoría cuántica y de la Gravitación gobiernan reinos muy diferentes que tienen poca ocasión para relacionarse entre sí. Mientras la una está situada en el mundo infinitesimal, la otra, reina en el macrocosmos “infinito” del inmenso Universo. Sin embargo, las fuerzas que rigen en el mundo de los átomos son mucho más potentes que las que están presentes en ese otro mundo de lo muy grande. ¡Qué paradoja!
¿Dónde están los límites de la teoría cuántica y los de la relatividad general? Somos afortunados al tener la respuesta a mano, Las unidades de Planck nos dan la respuesta a esa pregunta:
Supongamos que tomamos toda la masa del Universo visible y determinamos la longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en que momento esa longitud de onda cuántica del Universo visible superará su tamaño. La respuesta es: Cuando el Universo sea más pequeño que la longitud de Planck (10-33 centímetros), más joven que el Tiempo de Planck (10-43 segundos) y supere la Temperatura de Planck (1032 grados). Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender a qué se parece el mundo a una escala menor que la Longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la Gravedad.
El satélite Planck un observatorio que explora el universo lleva el mismo nombre del fundador de la teoría cuántica será pura coincidencia?. Credito: ESA. La Gravedad cuántica queda aún muy lejos de nuestro entendimiento.
La Relatividad General la teoría de Einstein de la gravedad, nos da una base útil para matemáticamente modelar el universo a gran escala -, mientras que la Teoría Cuántica nos da una base útil para el modelado de la física de las partículas subatómicas y la probabilidad de pequeña escala, de la física de alta densidad de energía de los inicios del universo – nanosegundos después del Big Bang – en la cuál la relatividad general sólo la modela como una singularidad y no tiene nada más que decir sobre el asunto.
Las teorías de la Gravedad Cuántica pueden tener más que decir, al extender la relatividad general dentro de una estructura cuantizada del espacio tiempo puede ser que nosotros podamos salvar la brecha existente entre la física de gran escala y de pequeña escala, al utilizar por ejemplo la Relatividad Especial Doble o Deformada.
¡Es tanto lo que nos queda por saber!
El día que se profundice y sepamos leer todos los mensajes subyacentes en el número puro y adimensional 137, ese día, como nos decía Heinsemberg, se habrán secado todas las fuentes de nuestra ignorancia. Ahí, en el 137, Alfa (α) Constante de estructura Fina, residen los secretos de la Relatividad Especial, la Velocidad de la Luz, c, el misterio del electromagnetismo, el electrón, e, y, la Mecánica Cuántica, es decir el cuanto de acción de Planck, h.
emilio silvera
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