LOS FÍSICOS TEÓRICOS

La Física es la ciencia por excelencia. Es una ciencia natural que estudia las propiedades de la materia, del espacio, tiempo, la energía y sus interacciones.

Sus conocimientos pueden  agruparse en cinco grandes teorías: la mecánica clásica  que estudia  el movimiento macroscópico,  el electromagnetismo  que estudia  los fenómenos electromagnéticos como la luz,  la relatividad estudia el espacio tiempo y la interacción gravitatoria,  la termodinámica  estudia  los fenómenos moleculares y de intercambio de calor,  y  la mecánica cuántica, que describe el comportamiento del mundo atómico y subatómico.

Ya se podría añadir una sexta disciplina la Biofísica. En neurociencia se empiezan a obtener las primeras teorías del funcionamiento de la neurona y del cerebro aplicando la mecánica cuántica y los principios de la física a estos sistemas biológicos (Ver Roger Penrose).

Ningún físico ha partido de cero en sus estudios y elaboración de teorías. Pero si ha habido físicos que con su trabajo han conseguido que la física diera un gran salto en el conocimiento y comprensión del universo. La física teórica elabora modelos matemáticos y conceptuales de la realidad para comprender, explicar y predecir los fenómenos de la naturaleza.

Como ejemplo de trabajo teoría-laboratorio actual, está el mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón. Peter Higgs y otros físcos en 1964, llegaron a la conclusión que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de su teoría. Actualmente en el CERN, el gran acelerador de partículas de Ginebra, hay varios centenares de físicos trabajando en localizar dicha partícula.

En todas las épocas, desde el siglo XVII, ha habido grandes físicos teóricos, como Isaac Newton, H.A. Lorentz, Max Planck, Albert Einstein, E. Schröedinger, Stephen Hawking, Roger Penrose, etc.

Si tuviéramos que mencionar solamente a tres, deberíamos mencionar a Newton, Einstein y Hawking.

Newton (1642-1727),

Desarrolló  la Teoría de la Gravitación Universal (la anècdota de la manzana es un mito). Es el precursor de la física moderna (clàssica). Desarrolló las tres leyes básias de la dinàmica, demostró las leyes de Kepler y la descomposición de la luz blanca. A esto hay que añadir sus aportaciones en el campo de las matemáticas. Desarrolló el cálculo diferencial e integral (imprescindible y potente método de cáculo matemático en física). También hizo grandes aportacions en el campo de la geometria analítica.

Albert Einstein (1879-1955).

Demostró que materia y energia son la misma cosa, hallando la ecuación más famosa de la historia. Descubrió que la velocidad de la luz en el vacio  es constante y halló dicho valor. Este concepto es muy difícil de comprender desde la física clàsica y desde la comprensión y el razonamiento humanos.

Lorentz desarrolló matemáticamente las predicciones de Einstein, demostrando que el espacio se contrae y el tiempo se dilata para un observador que se mueve respecto a otro.

Einstein también desarrolló la Teoría de la Relatividad, primero la especial y luego la General,  una de cuyas consecuencias es que la materia, a causa de su masa, curva el espacio-tiempo.

A través de su estudio del efecto fotoeléctrico, con el que obtuvo el premio Nobel en 1921, introdujo el concepo de “quanto” de luz, el fotón, y puso los pilares de la relación onda-partícula.

Stephen Hawking (1942 - )

Hawking ha trabajado junto a Roger Penrose en las leyes que gobiernan el universo.  Entre otras cosas, trabaja en la necesidad de unificar la Relatividad con la Teoría Cuántica. La Teoría de la Relatividad sólo predice el mundo de los grandes cuerpos y masas, pero no predice el comportamiento de las partículas elementales. Éstas están regidas por la Mecánica Cuántica. Hawking lleva tiempo trabajando en la teoría de la Unificación, lo que también le lleva al estudio de de la supersimetría de cuerdas. Ha obtenido resultados parciales. Ha estudiado partículas en los bordes de los agujeros negros. Éstas producen  una radiación (radiación de Hawking). Este hecho ya unifica las dos grandes teorías del siglo XX, que parecían totalmente excluyentes. Hawking a  pesar de su invalidante enfermedad, tiene sus capacidades intelectuales intactas y una mente prodigiosa. Es todo lo que necesita un físico teórico.

Bibliografía:

PENROSE, Roger. El camino a la realidad. 2ª edición. Barcelona: Random House Mondadori S.A., 2006.

SCHRÖDINGER, Erwin. Mente y Materia. 6ª edición. Barcelona: Tusquets Editores, 2007.

WHITE, Michael., GRIBBIN, John. Stephen Hawking, Una vida para la ciència. Salvat, 1993.

HAWKING, Stephen. El universo en una cáscara de nuez. 1ª Edición. Barcelona: Critica, 2011.

CHRISTIANSON, Gale. Newton.  1ª Edición. Barcelona: Salvat, 1989.

http://www.juanramonruiz.com/2010/12/top-10-de-los-mejores-fisicos-de-la.html

LAS DISTANCIAS ASTRONÓMICAS

Cuando hablamos de astronomía, una de las cuestiones que más difícil nos resulta imaginar son los números que lleva aparejada la información, las grandes distancias, número de estrellas,  número de galaxias y masas de las mismas. Son cifras que no podemos comparar con nada cercano y conocido.

He realizado unos cálculos para comparar el universo cercano en una escala más pequeña. Imaginemos que el planeta donde habitamos, la Tierra tuviera un centímetro de diámetro, como un garbanzo pequeño, bastante más pequeño que una moneda de un céntimo, entonces ¿cuáles serían las distancias de ese universo a escala reducida?

Si la Tierra tuviese 1 cm de diámetro, entonces el Sol sería una bola de algo más de un metro (109 cm) y la distancia entre ambos sería de 117 metros.

La Luna sería una bolita de menos de 3 milímetros (como un grano de arroz) que orbitaría la Tierra a algo más de 30 cm.

Cuando se habla del planeta Mercurio, se suele decir que es un pequeño planeta que está casi pegado al Sol. Siguiendo con la misma escala, el diámetro de Mercurio no llegaría a 4 mm y estaría a 45 metros del Sol.

Marte tendría poco más de medio centímetro (0,53 cm) y estaría casi a 179 metros del Sol.

Sigamos. El gigante Júpiter tendría 11 cm de diámetro y estaría a 610 metros del Sol, que como he dicho tendría algo más de un metro de diámetro.

(tamaños comparativos entre el Sol, Júpiter y la Tierra)

Saturno tendría 9,50 cm de diámetro y orbitaría el Sol a más de un kilómetro (1120 m).
Neptuno sería de 3,8 cm de diámetro y orbitaría a una distancia de 3,5 Km del Sol (una bolita de casi cuatro centímetros a tres kilómetros y medio del Sol).

Plutón, al que ya despojaron de su calidad de planeta, tendría 1,8 mm de diámetro y estaría a una distancia promedio de 4,6 Km del Sol. Parece insignificante.

Más datos. La estrella más cercana al Sol es Alfa Centauri, ligeramente más grande que el Sol, (en nuestra escala tendría 1,30 metros) y estaría a 30.000 km del Sol. Qué gran vacío entre las dos estrellas más cercanas. El universo es inmensamente grande y está inmensamente vacío.

¿Cuánto mediría nuestra galaxia, la Vía Láctea? En la escala en que hemos realizado los cálculos, tendría 784 millones de km. Una auténtica inmensidad espacial llena de miles de millones de estrellas en que el vacío es la constante.
En el universo el “choque” entre galaxias es muy frecuente, de hecho nuestra galaxia La Vía Láctea y Andrómeda se están acercando a una velocidad de 300 Km/s y el “choque” empezará a producirse dentro de 3.000 millones de años. Pero debido a que las distancias entre las estrellas es tan grande en comparación con su tamaño, se prevé que no se produzcan colisiones entre estrellas. La probabilidad de colisión entre estrellas es prácticamente cero. Las dos galaxias de traspasarán sin tocarse, solamente habrá interacción gravitacional entre ambas que les provocará deformaciones.

Siguiendo en la misma escala (la Tierra 1 cm de diámetro y el Sol 1,09 m), veamos cómo serían las estrellas más grandes del universo. Betelgeuce tendría un diámetro de 750 metros, Antares 881 metros, VV Cephei 1,65 Km de diámetro y la más grande Canis Major tendría un diámetro de más de 2 Km.

ALBERT EINSTEIN Y LENTES GRAVITACIONALES

Este corto video, explica de manera sencilla e intuitiva qué es una lente gravitacional.

Las lentes gravitacionales fueron predichas por la teoría de la Relatividad General de Einstein. En el año 1919 se pudo probar la exactitud de la predicción. Durante un eclipse solar el astrónomo Artur Eddington observó cómo se curvaba la trayectoria de la luz proveniente de estrellas distantes al pasar cerca del Sol, produciéndose un desplazamiento aparente de sus posiciones. Los fenómenos de lentes gravitatorias pueden utilizarse para detectar la presencia de objetos masivos invisibles, tales como agujeros negros incluso de planetas extrasolares.

Einstein lo predijo unos años antes, pero los físicos y astrónomos de la época no lo conocían y no querían arriesgar su reputación en experimentos de un físico poco conocido que trabajaba en una oficina de patentes. Todas la publicaciones de Einstein escritas antes de que cumpliera 32 años apenas fueron tomadas en consideración.

Einstein quiso probar su teoría observando un eclipse en Crimea, pero el inicio de la primera guerra mundial impidió dicha observación. Tuvo suerte, ya que esos primeros cálculos estaban equivocados.

La mayor contribución de Albert Einstein a la física moderna fue la Teoría de la Relatividad, pero el premio Nobel lo recibió por los estudios sobre el efecto fotoeléctrico.

Incluyo un documental completo sobre la vida y trabajo de Albert Einstein. La persona y el físico.

En 1905, cuando era un joven físico desconocido y estaba empleado en la Oficina de Patentes de Berna, en Suiza, publicó su teoría de la relatividad especial. En ella incorporó, en un marco teórico simple, fundamentado en postulados físicos sencillos, conceptos y fenómenos estudiados anteriormente por Henri Poincaré y por Hendrik Lorentz. Probablemente, la ecuación más conocida de la física a nivel popular, es la expresión matemática de la equivalencia masa-energía, E=mc², deducida por él como una consecuencia lógica de esta teoría. Ese mismo año publicó otros trabajos que sentarían algunas de las bases de la física estadística y la mecánica cuántica.

En 1915 presentó la teoría de la relatividad general, en la que reformuló por completo el concepto de gravedad. Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio científico del origen y evolución del Universo por la rama de la física denominada cosmología.

PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI

¿Cuál es la razón por la que la materia no se colapsa sobre sí misma? El mismo principio que impide que las estrellas de neutrones y las enanas blancas implosionen y que hace que la materia normal sea en su mayor parte espacio vacío, también permite la existencia de los seres humanos. El nombre técnico de este principio es el Principio de Exclusión de Pauli, y dice que dos fermiones (un tipo de partículas elementales) idénticos y con la misma orientación no pueden ocupar simultáneamente el mismo lugar en el espacio. Por el contrario, los bosones (otro tipo de partículas) no se comportan así, tal y como se ha demostrado recientemente por medio de la creación en el laboratorio de los condensados de Bose-Einstein.

A principios del s. XXI se hizo posible demostrar gráficamente el Principio de Exclusión de Pauli. Lo que vemos arriba son nubes compuestas por dos isótopos de litio: la de la izquierda está formada a partir de bosones, mientras que la de la derecha está formada a partir de fermiones. A medida que baja la temperatura, los bosones se apilan unos sobre otros, pero los fermiones  se mantienen separados.

A pesar de que la existencia del Principio de Exclusión de Pauli ha sido demostrada experimentalmente, a día de hoy todavía se desconocen tanto sus límites como incluso la misma razón por la que existe.

Para más información:

http://www.pa.msu.edu/courses/1997spring/PHY232/lectures/atomic/bosons.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Pauli_exclusion_principle

http://www2.slac.standford.edu/vvc/theory/fundamental.html

http://galileo.phys.virginia.edu/class/252/symmetry/Symmetry.html

http://www.particleadventure.org/fermibos.html

TAQUIONES

Si existieran, sería preciso encontrarlos; si no existieran, sería preciso explicar por qué.
E. C. George Sudarsham (físico teórico)

Albert Einstein (1905) nos dejó claro que la velocidad de la luz en el vacío es la máxima velocidad en el universo. Hasta ahora ni la teoría ni la práctica le han llevado la contraria.

De todas formas los físicos teóricos siguen postulando sobre la hipotética existencia de partículas que se puedan desplazar a velocidades superiores (denominadas Taquiones por Feinberg).  Esto daría lugar a una paradoja, el que el efecto anteceda a la causa.

Existen numerosos estudios en física al respecto: Alväger (entre 1963 y 1966) en el instituto Nobel. En 1992, en Colonia, Nimtz y sus colegas, posteriormente Chiao, Kwiat y Steinberg, de la universidad de California comprobaron que ciertos tipos radiación superan la velocidad de la luz (las ondas evanescentes).

Pero desde la Relatividad especial una partícula de masa (m_o) que se desplaza a una velocidad (v), tiene una energía (E):

Vemos que cuando la velocidad de la partícula (v) se acerca a la velocidad de la luz (c), el denominador se hace cero, y E = ∞. Así según la Relatividad  especial se precisa una energía infinita para poner una partícula a la velocidad de la luz. La conclusión es evidente, y es que ninguna partícula puede superar la velocidad de la luz en el vacío. Pero, ¿y si estas partículas han estado siempre viajando a velocidades superiores a las de la luz?

Entonces nos encontramos con otra paradoja. Si v > c, entonces el denominador es un número imaginario (raíz cuadrada de un número negativo), por lo que la energía sería también un número imaginario. Para salvar este escollo se podría considerar la hipótesis de que cuando v > c, la masa de la partícula se hace imaginaria, entonces la energía podría ser un número Real. En este caso los físicos teóricos tendrían que interpretar el hecho de la existencia de masas imaginarias.

Además de estas dificultades, los taquiones incumplen varios principios de la física,  como el principio de la causalidad: el efecto debe pertenecer al cono de luz futuro de su causa, aún en un espacio-tiempo curvos.

A pesar de todas las evidencias en contra de la posible existencia de los taquiones, tanto teórica, de laboratorio y filosóficas, el modelo estándar de la física contempla su posible existencia.

Galaxia La Bella Durmiente

Esta galaxia  se denomina  galaxia de la Bella Durmiente (M64) y se halla localizada en Coma Berenices. Varias observaciones recientes muestran que el gas de las regiones exteriores de esta espiral está girando en dirección contraria a todas las estrellas.

Las colisiones entre el gas de las regiones interiores y exteriores están creando muchas estrellas azules calientes y una nebulosa de emisión de color rosa.

Esta imagen fue realizada por el Telescopio Espacial Hubble en 2001 y publicada en 2004.

Se cree que los fascinantes movimientos interiores de M 64, o NGC 4826, son el resultado de una colisión entre una galaxia pequeña y una galaxia grande con una mezcla resultante que aún no se ha estabilizado.

La ciencia de las matemáticas

En esta primera entrada quisiera comentar algo sobre las raíces de la ciencia, siguiendo los pasos que describe Roger Penrose en su tratado de Física “El Camino a la realidad”.

¿Qué leyes rigen nuestro universo? ¿cómo las conocemos? ¿cómo puede servirnos este conocimiento para comprender el mundo y con ello orientar sus acciones en nuestro provecho?

Desde los albores de la humanidad, los hombres creyeron que todos los fenómenos naturales y lo que a él le acontecía, estaba bajo los impulsos de dioses motivados  por los mismos impulsos humanos. Así lo único que se podía hacer era apaciguar a las figuras divinas.

Poco a poco fue descubriendo cierta precisión en las pautas de los fenómenos naturales. Con la observación de la regularidad, precisión y predictibilidad de los fenómenos físicos parecía que los dioses estaban bajo la influencia de las leyes matemáticas.

El ser humano fue creándose explicaciones “lógicas” a todos los fenómenos observados por él. Su mente y deducciones le distinguían de los animales y obtuvo explicaciones que le satisfacían sobre todas sus observaciones.

Pero la precisión, fiabilidad y consistencia  que requieren nuestras teorías científicas exige algo más allá de nuestras mentes individuales (poco dignas de confianza). En las matemáticas encontramos una solidez mucho mayor que lo que puede localizarse en cualquier mente concreta.

La existencia matemática es diferente no sólo de la existencia física, sino también de una existencia que es atribuida por nuestras percepciones mentales.

Pero sucede que la gran mayoría de las actividades actuales de los matemáticos puros no tienen una conexión obvia con la física, ni con ninguna otra ciencia. Pero todo el mundo físico se representa gobernado de acuerdo  con leyes matemáticas. Incluso se debe considerar que puede haber otros enunciados matemáticos que están fuera del alcance potencial de la razón (teorema de la incompletitud de Gödel).

Sigue siendo un profundo enigma por qué tiene que aplicarse las leyes matemáticas al mundo de la física con tanta precisión.  Pero no es sólo la precisión, sino también la sofisticación sutil  y la belleza matemática de estas acertadas teorías lo que es profundamente misterioso. Así, los más grandes físicos y matemáticos están de acuerdo en que es un misterio la notable relación entre las matemáticas y el comportamiento real del mundo físico.

Las más importantes relaciones matemáticas entre fenómenos físicos están descritas por ecuaciones elegantes y sencillas.

En posteriores entradas iré desmenuzando alguno de estos misterios.