En la Diana del Tiempo

El tiempo… parece algo tan sutil… nos acompaña desde el nacimiento del universo, separando nuestros instantes, ordenando los acontecimientos de nuestra propia historia… Hasta hace poco, se creía que era algo absoluto, es decir, que era igual para todos los que lo observaran y todos ellos estarían de acuerdo a la hora de clasificar un mismo suceso como presente o pasado. Pero gracias a Einstein y a su teoría de la Relatividad, descubrimos que el tiempo dependía de los observadores y de su estado de movimiento, pudiendo suceder, por ejemplo, que para uno de ellos el futuro sucediera antes que para el otro. El tiempo empezaba a ser un compañero mas desconocido de lo que parecía.

Pero lo curioso, además, es que en todas las ecuaciones de la física (tanto clásica como relativista) permanecerían inalteradas si se invirtiera la dirección del tiempo, como si este “detalle” no tuviera importancia para ellas, es decir, son simétricas en este aspecto, entonces… 

¿Por qué para nosotros el tiempo es irreversible? ¿Por qué vivimos en un universo donde el pasado precede al futuro y no al revés?

Si viéramos una película donde en una mesa de billar las bolas se reagruparan en un triángulo mientras una blanca abandonara el centro de la mesa para situarse en un extremo, no dudaríamos de que se esta película se estaría proyectando al revés, pues la escena sería increíble. Por parte de las leyes de la física no habría ningún problema en que las bolas por sí sola se reagrupasen, pero ¿podríamos decir lo mismo desde el punto de vista del azar?

En 1927, el astrofísico británico Arthur S. Eddington, del que ya hablamos en la entrada «En el Ombligo del Universo«, utilizó por primera vez, en sus conferencias sobre “La naturaleza del mundo físico”, la expresión Flecha de Tiempo para referirse a la dirección en la que éste discurre sin interrupción desde el pasado hacia el futuro. Explicaba que, si dibujásemos una flecha arbitrariamente y al seguirla encontráramos que los elementos distribuidos al azar iban en aumento, entonces la flecha apuntaba al futuro, pero si por el contrario disminuyesen, entonces la flecha apuntaba al pasado. Es decir, el futuro apunta al…

El físico Stephen Hawking resalta en su libro “Historia del Tiempo” tres «Flechas de Tiempo» que transcurren desde el pasado al futuro. El hecho de que las tres apunten hacia la misma dirección es condición indispensable para que podamos estar aquí haciéndonos preguntas, según el razonamiento del principio antrópico débil.

Estas flechas son:

La flecha termodinámica es la que hace posible que no vivamos la experiencia de ver cómo los vasos que caen al suelo, y se rompen, se recompongan ellos solitos y salten a la mesa desde donde cayeron. Está basada en la Segunda Ley de la termodinámica. Para explicarla hay que introducir primero el concepto de Entropía.

¿Qué es la entropía?

La entropía es una magnitud que mide cómo un sistema aislado evoluciona hacia el estado estadísticamente más probable. Es decir, que mide la evolución hacia el desorden, porque éste es muchísimo más probable que el orden. El cristal roto y el agua en el suelo están un estado mayor de entropía que un vaso encima de una mesa, pues su nivel de orden es elevado. Con el tiempo aumenta el desorden, es decir, partimos desde un estado bajo de entropía hacia uno más elevado y siempre vamos en esa dirección, por eso no podemos presenciar la milagrosa recomposición de los cristales rotos pero, en cambio, si sufrimos como una habitación recién limpia (en un buen estado de orden) se va volviendo sucia y “entrópica” con el tiempo…¡grr!. Siempre habrá un mayor número de estados desordenados que ordenados.

Pero… ¿Por qué sucede esto?

Pues porque para mantener un estado ordenado hace falta gastar energía. Nosotros mismos tenemos un nivel bajo de entropía. Para mantenernos vivos tenemos que luchar contra el aumento inexorable de la entropía en nosotros mismos y lo hacemos tomando energía en estado ordenado (alimento y oxígeno) y desechándola en forma de calor, que es la forma de energía más desordenada que existe, con lo que colaboramos, a su vez, al aumento de entropía del universo.

En 1974, el físico Roger Penrose aplicó la segunda ley de la termodinámica al universo y dedujo que éste comenzó con un nivel de entropía increíblemente pequeño en comparación con el que podría tener, el porqué fue así continúa siendo un misterio. Pensar que el universo surgió de una explosión (el Big Bang) y aún así no haber generado el caos, como cabría de esperar en cualquier explosión, sino un escenario realmente ordenado es algo alucinante. Toda la materia cósmica observable se distribuyó en aglomeraciones incandescentes (estrellas) y en materiales fríos (planetas y polvo cósmico). Este desequilibrio térmico posibilitó que el Sol irradiara energía baja en entropía hacia la Tierra, algo indispensable para nuestra supervivencia. Si el universo no hubiera surgido con ese nivel tan bajo de entropía…

NO EXISTIRÍAMOS

Sigue este enlace: Noticias sobre la entropía del universo

La flecha psicológica es la dirección donde sentimos el paso del tiempo, la que hace posible que recordemos el pasado y no el futuro. Reside en nuestra mente y nos hace comprender la sucesión de los hechos que vivimos. La acumulación de recuerdos forma la flecha de tiempo mental. Hay quienes piensan que el tiempo no es real, que somos nosotros quienes lo inventamos para explicar los sucesos que vivimos, ya que nunca se ha realizado ningún experimento para detectar el “flujo del tiempo”.

La flecha cosmológica del tiempo nos señala que nos encontramos en la dirección en que se expande el universo y no en su fase contractiva, pues entonces apuntaría en sentido contrario. Stephen Hawking explica que si el universo hubiera comenzado en un estado grumoso y desordenado ahora mismo estaríamos en un estado de desorden completo y no podría aumentar con el tiempo. Al no aumentar, podrían suceder dos cosas: disminuir, por lo que la flecha termodinámica señalaría en dirección opuesta a la cosmológica o permanecer constante, por lo que la flecha termodinámica no estaría bien definida. Pero ninguna de ambas circunstancias son las que vivimos, pues como ya hemos visto la entropía va en aumento constante. Así pues, el universo debió comenzar en un estado muy suave y ordenado.

Pero, ¿Cómo sabemos que nos encontramos en la fase donde el desorden aumenta y el universo se expande y no en la fase contractiva? 

Hawking responde siguiendo el principio antrópico débil y es que las condiciones de la fase contractiva no serían adecuadas para la existencia de vida inteligente que se hiciera esa pregunta. El universo, como vimos en la entrada anterior, se expande a una velocidad muy próxima a la que evitaría que se volviera a colapsar, por lo que tardará mucho antes de que se produzca este hecho. Cuando suceda, todas las estrellas ya se habrán quemado y el universo estaría en un nivel de desorden completo. No habrá flecha termodinámica del tiempo. Sin embargo, sin una flecha termodinámica clara la vida inteligente no podría vivir, pues como vimos, es necesario consumir alimento que es una forma ordenada de energía.

En resumen, aunque en las leyes de la ciencia no influye la dirección del tiempo, en la realidad existen tres flechas que nos mantiene en la dirección “lógica” de pasado a futuro. Dos de ellas (termodinámica y psicológica) coincidirán siempre, la cosmológica apuntará en el mismo sentido de las otras dos mientras el universo esté en la fase expansiva, fase en la que nos encontramos ahora, porque de lo contrario… 

NO EXISTIRÍAMOS

Referencias:

– Historia del Tiempo. Stephen Hawking
– La Mente Nueva del Emperador. Roger Penrose
– Física Para Todos. Rafal Andrés Alemañ

¿Qué Pasaría Sí…? II

Además de este ajuste individual de las fuerzas de la naturaleza para que pueda existir vida, existe un ajuste preciso entre ellas. El físico Paul Davies considera que si la relación entre la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética fuera diferente en una parte en 10 billones, las estrellas no podrían formarse y si la relación entre la gravedad y la fuerza nuclear débil no se mantuviera en una parte en 1040… 

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La proporción entre las constantes de fuerza electromagnética y gravitatoria también debe estar en equilibrio perfecto, un incremento tan sólo en 1040 de nuevo, provocaría que sólo existiesen estrellas pequeñas y un aumento en la misma cantidad provocaría que sólo existiesen estrellas grandes, por lo que… 

NO EXISTIRÍAMOS

Pero podemos seguir hablando de ajustes increíbles a nivel atómico. Si el neutrón no pesara un poco más que el protón dentro del núcleo del átomo la vida de las estrellas sería de tan sólo unos pocos siglos. Si las cargas eléctricas de los electrones y los protones no estuviesen equilibradas con gran precisión, todas las configuraciones de materia serían inestables, en ambos casos…

NO EXISTIRÍAMOS

Las creaciones más importantes del universo se deben a los estados de equilibrio entre las diferentes fuerzas de la naturaleza y sus tamaños están determinados por la constante de estructura fina y la constante gravitatoria.

Las condiciones necesarias para nuestra existencia dependen, pues, de los valores de estas constantes. Tan sólo con que la constante de estructura fina desviara su valor en 1 por 100 sería suficiente para que las estrellas no pudieran generar los elementos pesados necesarios para la vida, por lo que…

NO EXISTIRÍAMOS

La expansión del universo ha cambiado en los últimos millones de años. La atracción gravitacional de la materia en el universo debería desacelerar la expansión, pero sorprendentemente las observaciones indican que la expansión se está acelerando. Se plantea la posibilidad de que el universo contenga una forma energía que es gravitacionalmente repulsiva denominada energía oscura

La densidad de energía en el espacio vacío se mide mediante la constante cosmológica cuyo valor aún no se conoce. Ésta podría haber tomado cualquier valor, ser positiva o negativa. Según Steven Weinberg, físico de partículas elementales y premio Nobel, si dicha constante fuera grande y positiva, actuaría como una fuerza repulsiva que se incrementaría con la distancia, lo que impediría que la materia se hubiera unido en el universo primitivo y hubiera impedido la formación de las estrellas, galaxias, planetas…

Si fuera grande y negativa, actuaría como una fuerza de atracción que se incrementa con la distancia y revertiría la expansión del universo causando su colapso y no dando tiempo a la evolución de la vida. Por lo que el valor de dicha constante ha de ser muy pequeña para que haya podido dar lugar a un universo como el nuestro. Según los físicos si hubiera tenido un valor diferente en 1/10 elevado a 120 (otra cifra de las inimaginables e imposibles de escribir), el universo hubiera sido un lugar estéril y evidentemente… 

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¿No te parecen demasiadas coincidencias?

Referencias:

– El universo como obra de arte. John D. Barrow
– Teorías del todo: hacia una explicación fundamental del universo. John D.Barrow
– Una revisión de las teorías sobre el origen y la evolución del universo. John Auping Birch
– El universo informado. Erwin Laszlo
– Cosmología física. Jordi Cepa
– ¿Un universo diseñado? 
– El origen del universo y la vida

¿Qué Pasaría Sí…? I

El hecho de que podamos existir en este universo, es decir, de su extraordinaria capacidad para producir vida es el resultado de una serie de caprichosas circunstancias magníficamente conjuntadas. El físico Roger Penrose dedujo que la probabilidad de que un universo como el nuestro pudiera surgir tras el Big Bang de entre todos los probables era de…
Una cifra tan devastadoramente pequeña que no podríamos escribirla ¡ni siquiera colocando un cero en cada protón y neutrón del universo entero! Una cifra que roza lo imposible.
Para el físico Robert Dicke la edad del universo era requisito indispensable para que pudiera existir el carbono, elemento del que está constituida la materia viva. Pero el carbono, junto con otros elementos igualmente necesarios, es el resultado de una lenta cadena de reacciones nucleares que se dan en las estrellas. En primer lugar, el hidrógeno tuvo que transformarse en helio, el helio en berilio y luego éste se tuvo que quemar para producir carbono y oxígeno. Cuando las estrellas explotaron como supernovas dispersaron estos elementos por el espacio.

 
 
La clave, pues, es el tiempo. Se necesitan miles de millones de años para producir estos elementos. Ese es el motivo por el que el universo que contenga seres vivos ha de ser tan viejo y, dado a que se expande continuamente, debe ser, además, muy grande. La inmensidad del universo, que siempre ha sido motivo de congoja en la humanidad, es paradójicamente, requisito indispensable para la existencia de ésta. Sin embargo, un universo excesivamente grande y viejo sería un lugar desolado, con estrellas muertas, que ya no cumplirían su función indispensable para la vida. No nos vale cualquier edad para la existencia.
 
 
Pero… ¿Cómo hemos llegado hasta aquí?
 
 
Hemos hablado de estrellas, de elementos químicos, de expansión… pero, para que todo eso ocurra se han tenido que dar otras circunstancias anteriores imprescindibles. Si la precisión de cada una de ellas parece un “milagro”, más aún nos debe parecer que este “milagro” se haya producido tantas veces. Vamos a echar un vistazo a algunas de esas características y condiciones que se dieron en el inicio del universo.

Lo que se supone que sucedió…

 
 
Hace unos 13.700 millones de años el universo era tan increíblemente pequeño que podía caber sin problemas dentro de un átomo. Entonces se produjo un estallido que los cosmólogos denominaron Big Bang y toda la materia de aquel pequeño punto salió impulsada en todas direcciones. No se sabe que sucedió desde ese preciso instante hasta que pasaron 10 -43 segundos, y aunque parezca un lapso de tiempo ridículo fue sólo en ese momento cuando las cuatro fuerzas de la naturaleza estaban unidas en una única superfuerza (algo que buscó Einstein toda su vida). Después de ese instante, la fuerza de la gravedad se separó de las otras tres. El calor era tan grande (unos cien mil millones de grados centígrados) que no podían existir ni moléculas, ni átomos, siquiera los núcleos de éstos.
 
 
 
 
Avanzaban los instantes, el universo crecía y la temperatura iba descendiendo. Cuando la fuerza nuclear fuerte se separó comenzaron a formarse las partículas elementales (quarks y leptones). Los lapsos de segundo transcurrían, la temperatura continuaba descendiendo, protones y neutrones se unieron para formar núcleos de deuterio (un protón y un neutrón) de helio (2 protones y 2 neutrones), mientras el universo era opaco porque los fotones estaban unidos a las partículas.
 
380 mil años después, los fotones perdieron energía y los electrones fueron retenidos por lo núcleos atómicos formándose así los primeros átomos de hidrógeno y helio. Los fotones al separarse de la materia originaron luz y el universo se volvió transparente. Gracias a la gravedad, el gas existente se empezó a agrupar y a condensar hasta formar, millones de años después, galaxias y estrellas.
 
 
El universo visible  
 

Lo que podía haber sucedido… (“pa habernos matao”)

 

Para que pueda surgir la vida en el universo fue necesario que las condiciones que se dieron en su inicio, la intensidad de las fuerzas fundamentales y las constantes universales se encontraran en un rango de valores tan sumamente estrecho que si se hubiese producido la más leve variación en alguno de ellos NO EXISTIRÍAMOS para contarlo, a este hecho se le denomina “Ajuste fino” del universo. Veamos primero esas fuerzas fundamentales:

 
 
 
Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones. La fuerza que hace posible que los protones no se repelen entre sí debido a sus cargas positivas es la interacción nuclear fuerte. Si esta fuerza hubiera sido levemente más débil no podrían unirse por lo que el único elemento que existiría en el universo sería el hidrógeno (cuyo núcleo sólo lo forma un protón) y ningún elemento más. Pero si hubiera sido levemente más fuerte, el hidrógeno sería muy raro en el universo y sin él las estrellas no podrían formarse. Es decir, que si no estuviera ajustada a su fuerza exacta… 
 
 
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La fuerza nuclear débil es la responsable de la llamada desintegración beta, esto es, por ejemplo, cuando un neutrón se convierte en un protón + un electrón + un neutrino. La disponibilidad de neutrones, mientras el universo se enfriaba, determinó la cantidad de helio producido en su origen. Si esta energía hubiera sido levemente más grande, los neutrones decaerían más fácilmente y estarían menos disponibles por lo que se produciría muy poco helio. Sin el helio no sería posible la creación de los elementos pesados (elementos fundamentales para la vida como el carbono) que se generan en las estrellas. Pero por otro lado, si esta fuerza hubiera sido levemente más débil habría habido una sobreabundancia de elementos pesados. De ambas formas… 
 
 
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La fuerza de la gravedad también posee una precisión increíble. Si hubiera sido levemente mayor el universo estaría apiñado y las estrellas serían muy grandes. Este tipo de estrellas masivas son fundamentales para producir carbono y oxígeno, pero tienen una vida muy corta por lo que no tienen tiempo para albergar planetas. Pero si hubiera sido levemente menor las estrellas serían muy pequeñas y longevas, pero no producirían elementos pesados, por lo que en ambos casos… 

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La fuerza electromagnética es la que hace posible que las cargas eléctricas de diferente signo se atraigan como los electrones y los protones. Si hubiera sido levemente menor los electrones no se mantendrían ligados al núcleo del átomo. En cambio, si hubiera sido levemente mayor sería imposible que un átomo le cediera electrones a otro, por lo que sería imposible crear moléculas. Es decir, si ocurriera esto… 

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Esto no acaba aquí, sígueme a la segunda parte

Referencias:

– El universo como obra de arte. John D. Barrow
– Teorías del todo: hacia una explicación fundamental del universo. John D.Barrow 
– Una revisión de las teorías sobre el origen y la evolución del universo. John Auping Birch
– El universo informado. Erwin Laszlo 
– Cosmología física. Jordi Cepa
– ¿Un universo diseñado? 

– El origen del universo y la vida

En el Ombligo del Universo

 
 
Durante la Edad Media, se creía que la Tierra era necesariamente el centro del firmamento, lugar privilegiado donde Dios había colocado al hombre como culmen de su creación. Gracias al Renacimiento y a la luz de la razón, Nicolás Copérnico despoja a la Tierra de su lugar preeminente para poner al Sol. Desde entonces, la humanidad ha ido tomando conciencia de que no es un espectador privilegiado de las estrellas y que nuestro mundo es sólo un planeta perdido en un lugar nada especial de una galaxia igual a otras muchas. A este espíritu se le conoce como principio copernicano o principio de mediocridad
 
 
 

 

En 1973, quinientos años después del nacimiento de este revolucionario astrónomo y en una conferencia celebrada en Cracovia con motivo de su aniversario, el astrofísico y cosmólogo Brandon Carter decidió arremeter contra el sometimiento a este principio y defendiendo que, aunque los observadores humanos no ocupamos un lugar central en el universo, si estamos privilegiados en cuanto a otras condiciones necesarias para la existencia. Surgió así el Principio Antrópico como consecuencia de una serie de planteamientos sobre la naturaleza del universo que se venían dando desde comienzos del siglo XX.
 
 
 
 
 
 
 

El primer antecedente a este principio lo encontramos en los años 20 cuando el astrofísico británico Arthur Stanley Eddington encontró, mientras buscaba la “teoría fundamental” (la unificación de la mecánica cuántica, la relatividad y la gravitación), una serie de “coincidencias” extrañas en sus cálculos. Al disponer la razón entre la masa del electrón y la del protón resultaba ser el mismo número que al hallar la razón entre la fuerza gravitatoria y electromagnética de ambos, esto es, 10 elevado a 40. Número que sorprendentemente resultaba ser la raíz cuadrada del número de protones del universo visible (número de Eddington).

En 1938, el físico y premio nobel Paul Dirac también observó unas “coincidencias” al poner de manifiesto la intensidad de la fuerza gravitatoria, la masa del universo conocido, de nuevo, y la edad estimada del universo en unidades atómicas (la razón entre la edad del universo y el tiempo que tarda la luz en recorrer el radio de un protón).
¿Y que coincidencia encontró? Pues que éstas cantidades eran potencias enteras (positivas y negativas) de 10 elevado a 40 ¡¡¡Otra vez!!! Dirac pensó que debía existir alguna relación entre estas constantes fundamentales y la evolución del universo. Como la edad del universo aumenta con el tiempo (elemental querido Watson), las constantes fundamentales tendrían que hacerlo igualmente para seguir manteniendo dicha igualdad.

 

En 1961, el físico Robert Dicke publicó un artículo en la revista Nature donde recogía la hipótesis de Dirac, pero manteniendo la edad del universo independiente de los otros números. Entonces… ¿Cómo explicaba Dicke la coincidencia entre los tres? Porque los físicos, justificó, sólo pueden existir en un periodo muy corto de la evolución del universo. El carbono del cuerpo de los físicos necesitó de una estrella para crearlo, por lo que el universo debía ser suficientemente antiguo para haber formado las estrellas, pero no demasiado antiguo porque entonces las estrellas se habrían consumido dejando de emitir calor y luz que hace posible que exista vida en los planetas. Dicke calculó que ese tiempo era de unos 10 mil millones de años, es decir, que la vida sólo puede surgir y existir durante un periodo en la evolución del universo y este tiempo era justamente cuando se cumplía la igualdad descubierta por Dirac. 

Carter dividió el Principio Antrópico en dos versiones, una débil y una fuerte. En su versión débil se limita a decir que nuestra ubicación en el universo es necesariamente privilegiada hasta el punto de ser compatible con nuestra existencia como observadores. Esta ubicación no sólo hay que entenderla como localización espacial, sino también temporal.

En su versión fuerte, el Principio dice que “el universo (y, por consiguiente, los parámetros fundamentales de que depende) tiene que ser de tal modo que admita la creación de observadores dentro de él en algún estadio”. Estos parámetros fundamentales (las constantes de la física) que aparentemente son arbitrarias y no relacionadas entre sí, adoptan exactamente los valores necesarios para que pueda resultar la vida. Esta versión del principio se la denomina “fuerte” porque no sólo considera que nuestra situación en el universo sea privilegiada para la existencia (espacio y tiempo suficiente) sino que el universo mismo (los parámetros fundamentales de los que depende) son privilegiados.

 
 

Un paso más allá dentro del Principio Antrópico lo da el físico John Wheeler, del que ya hablamos en el artículo “Creadores de Matrix”. En una entrevista publicada en la revista Cosmic Search en 1983 viene a decir que este principio observa los posibles universos y desecha aquellos donde la conciencia no se pueda desarrollar en algún lugar y momento. Nosotros no podemos ni imaginar un mundo sin observadores, puesto que los verdaderos materiales de construcción del universo son los actos de participación del observador. Es lo que él denomina Principio Participativo y está fundado en el punto central de la mecánica cuántica, que ningún fenómeno elemental puede considerarse fenómeno hasta que es observado (o registrado por un observador).

También ha habido otras divisiones y definiciones del principio antrópico, como la realizada por Barrow y Tipler en 1986, donde al principio débil y fuerte añadieron el principio antrópico final. En éste  último defienden que , una vez surgida la inteligencia en el universo, ya no desaparecerá, sino que logrará el dominio sobre todos los procesos materiales e incluso su propia inmortalidad.

Seguir esta línea de razonamiento supone revocar los triunfos de Copérnico, Galileo y Newton para volver a colocar al hombre en el centro del universo, sin embargo, los valores en la configuración del  universo para que pueda surgir la vida son demasiado “ajustados” para obviarlos. De las extraordinarias “coincidencias” en estos valores hablamos en la entrada «¿Que Pasaría Si…?»

 
 
Referencias:
– Introducción al Principio Antrópico. José Manuel Alonso
– Cosmos y Gea: fundamentos de una nueva teoría de la evolución. Francesc Fígols

Curiosidades Primigenias

En las entradas anteriores hemos visto una serie de extrañas coincidencias que se producen en el origen del universo, eslabones de una cadena estratégicamente ensamblada que condujeron al origen de la vida. Tratábamos cuestiones que se escapan a nuestro pensamiento cotidiano porque se encuentran ocultas en los entresijos más profundos de la naturaleza. Pero, en ocasiones, estas coincidencias están delante de nuestros ojos y, aún así, no reparamos en lo mucho que su refinado ajuste influye en nuestra existencia. Podemos preguntarnos…

¿Por qué existe la materia?

En los primeros momentos del universo la temperatura era extremadamente alta y la creación-aniquilación de partículas y antipartículas se encontraba en equilibrio. Pero al disminuir la temperatura debido a la expansión, los fotones ya no tenían energía suficiente para generar dichos pares y los existentes se fueron aniquilando para formar nuevos fotones. A pesar de todo, por alguna causa que no puede explicar ni la teoría del Big Bang ni el Modelo Estándar de la física de partículas, se habían creado más partículas de materia que de antimateria, lo que se conoce como la violación de carga – paridad (violación CP).  Esta asimetría se calcula que podría ser de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula (¡si, si, más 1 sólo!). No se sabe qué produjo dicha asimetría, pero sin ella en el universo tan sólo sería una sopa de fotones, y…

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¿Por qué el universo tiene tres dimensiones?


Si en la formulación matemática de las leyes físicas se había descubierto que existían muchas dimensiones… ¿por qué el universo tan sólo tiene tres?
En 1955 el matemático británico G.J. Whitrow nos proporcionó una respuesta. Las condiciones físicas sobre la Tierra han permitido la evolución del hombre. Durante los primeros millones de años de la evolución orgánica la intensidad de la radiación solar sobre ella no ha cambiado, ya que las formas de vida superiores se habrían destruido. Para que la intensidad sea constante, la distancia de la Tierra al Sol no puede haber cambiado demasiado. Por lo cual la órbita no sólo debe ser casi circular sino que también debe ser estable. Mediante un teorema de la teoría orbital clásica se puede llegar a deducir que para que una órbita casi circular sea estable el número de dimensiones no puede ser mayor de tres. Como las formas superiores de vida animal poseen una estructura geométrica incompatible con un espacio bidimensional, la única solución es que el espacio posee justamente el número de dimensiones compatibles con la existencia del ser humano. Si no hubiera sido así…

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Este magnífico video nos muestra cómo sería un mundo con solo dos dimensiones.

¿Por qué el universo se ve igual desde cualquier lugar donde se observe y en la dirección en la que se mire?

Según el principio cosmológico, el universo es homogéneo e isotrópico a gran escala. ¿Qué quiere decir esto? Pues que el universo se ve igual independientemente del lugar desde donde se le esté observando o de la dirección a la que se mire. Sin embargo, a escala local el universo ni es isotrópico ni homogéneo, esto es debido a la existencia de las galaxias.

Universo isotrópico
Universo homogéneo

La explicación que aportan Collins y Hawking tras estudiar matemáticamente modelos cosmológicos en un conjunto de universos posibles, es que los que inicialmente son homogéneos pueden expandirse a una velocidad superior, inferior o igual que la velocidad mínima para evitar que se contraiga. 

El universo se expande como si fuera un globo, todos los puntos se van alejando de la misma forma. Todos podrían parecer el centro del universo

Los que tienen una mayor velocidad no tienden a la isotropía. Los que tienen velocidad inferior no disponen de tiempo para formar galaxias y estrellas porque se vuelven a contraer. Así pues, nuestro universo tiene una velocidad muy próxima a la velocidad mínima para evitar la contracción. Estos universos son una excepción entre los universos homogéneos, sin embargo son una regla entre los que es posible la vida humana. La conclusión es que el modelo de nuestro universo es extremadamente raro, pero si no fuese así..

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Aquí os dejo un video de la «Hora de José Mota» donde Blasa le cuenta a Punset su particular forma de entender la expansión del universo y los misterios del Big Bang, porque también hay que poner humor a la ciencia… que lo disfrutéis

¿Por qué el carbono es tan abundante?

Ciclo del carbono

La vida en la Tierra está basada en el carbono y está presente en todos los compuestos relacionado con ella. Se trata de un elemento muy peculiar. El átomo de carbono tiene la capacidad de poder unirse a otros átomos iguales que él para formar largas cadenas lineales o cíclicas necesarias para crear vida. Sin embargo, este preciado elemento tan importante para nosotros debería existir más como un remanente en el universo que como un elemento abundante, entonces ¿Por qué hay tanto?

El carbono se forma en el interior de las estrellas en dos etapas a partir de núcleos de helio (también denominados por los físicos como partículas alfa). Dos partículas alfa se combinan para formar un núcleo de berilio. Pero para formar un núcleo de carbono se necesita una partícula alfa más. Este último motivo sería suficiente para considerar al carbono complicado “de hacer” y es aquí donde entra en juego una curiosa propiedad denominada resonancia que hace posible que esta segunda fase se realice a una velocidad sorprendente ya que esta propiedad se da cuando la particula que se va a formar tiene exactamente la energía de las partículas que lo van a formar. Y es que la energía de las partículas implicadas más la del calor de la estrella donde se genera da lugar a una energía justo por encima del nivel del núcleo de carbono, lo que lo hace posible existir.

La segunda vez que tiene suerte el carbono es en su fusión con otra partícula alfa más para formar el oxígeno (otro elemento crucial para la vida). La falta de resonancia en la formación del oxígeno desacelera la rapidez con la que se forman éstos núcleos por lo que gracias a esto no todo el carbono se transforma en oxígeno.

Átomo de carbono realmente agradecido

A todo esto hay que añadir el ajuste preciso de la fuerza nuclear fuerte, que como vimos en la entrada anterior, influye en los procesos de formación del núcleo de tal forma que hace posible que pueda existir tanto el carbono como el oxígeno en cantidades abundantes, porque de no ser así…

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“Los átomos de carbono en nuestro cuerpo, responsables de la maravillosa flexibilidad de las moléculas de ADN que encontramos en la raíz de nuestra complejidad, se han originado en las estrellas como resultado de estas coincidencias.”

John D. Barrow

Referencias

– Teorías del todo: hacia una explicación fundamental del universo. John D.Barrow

– Una revisión de las teorías sobre el origen y la evolución del universo. John Auping Birch

Bonito Planeta, Nos Lo Quedamos

Como vimos en la entrada “¿Qué pasaría si…?”, para que el universo pueda desarrollar vida se han tenido que cumplir una serie de requisitos, tan ajustados y precisos, que nuestra existencia es un suceso que roza prácticamente lo imposible. Esta dinámica de extrañas “coincidencias” también se extiende a nuestro propio planeta haciendo de él un lugar excepcionalmente privilegiado para el desarrollo de la vida. Vamos a echar un vistazo al pasado más remoto de la Tierra para comprender cuales son estas características tan peculiares.

En primer lugar, nuestro planeta se formó por una serie precisa de colisiones entre protoplanetas (cuerpos celestes como embriones planetarios). Si estos protoplanetas hubieran colisionado de forma diferente, la Tierra podría haber tenido un tamaño distinto del que posee. De haber sido más pequeña, su gravedad en superficie sería más débil y habría perdido su atmósfera con rapidez, además, su interior se habría enfriado demasiado para generar un fuerte campo magnético. 

Asimismo, los planetas pequeños suelen tener órbitas peligrosamente erráticas. Si, por el contrario, la Tierra hubiera sido más grande habría retenido gases primordiales venenosos. Como hemos visto, gracias a su tamaño exacto, nuestro planeta posee un fuerte eje magnético que contribuye especialmente a su habitabilidad… ¿Por qué?

El viento solar golpea constantemente el campo magnético terrestre en la zona orientada hacia el sol, a una velocidad de 400 km/s y lo comprime. Debido a la fuerza opuesta ejercida por éste, las partículas del viento solar no pueden avanzar más y son desviadas por el campo magnético rodeando al planeta. Esta capa protectora se denomina magnetosfera. Aunque dicha capa evita que las partículas energéticas lleguen a nuestra atmósfera, algunas consiguen entrar cerca de los polos magnéticos y al interaccionar con los gases se desprende un espectro óptico denominado aurora boreal en el hemisferio norte y aurora austral en el sur.
Si no existiera el eje magnético terrestre, la vida en la Tierra no sería posible porque el viento solar está formado por protones y electrones que al impactar disociarían los átomos de oxígeno e hidrógeno, permitiendo escapar a éstos últimos, por lo que la Tierra perdería la mayoría del agua de la atmósfera y de los océanos hacia el espacio.Igualmente, el campo magnético terrestre nos protege contra los rayos cósmicos (partículas subatómicas de gran energía procedentes del espacio exterior), éstas partículas están eléctricamente cargada y son desviadas por dicho eje. De no ser así, atravesarían nuestros cuerpos y romperían los núcleos de nuestras células.


Aquí os dejo un precioso vídeo sobre la aurora, con música de Lisa Gerrard y Hans Zimmer (Now We Are Free). Que lo disfrutéis

La Luna fue el resultado de la última decisiva colisión que tuvo la Tierra con un protoplaneta (denominado Theia como la diosa griega madre de la diosa lunar Selene). Según la “Teoría del gran impacto” esta colisión tuvo que ocurrir en un ángulo exacto, ya que si hubiera sido más directo la Tierra se hubiera destruido y si hubiera sido menos directo Theia se hubiera desviado sin producir la necesaria colisión.

Sin la oportuna creación de la Luna, la Tierra daría una vuelta cada 8 horas en lugar de cada 24. Esta velocidad provocaría unos vientos de tal magnitud que la atmósfera tendría mucho más oxígeno y el campo magnético sería 3 veces más intenso, por lo que la vida hubiera evolucionado de forma distinta a como lo ha hecho.


Por otro lado, la gravedad de la Luna impide que el eje de la Tierra se bambolee. 

¿Qué quiere decir esto?
La Tierra tiene una inclinación de 23,5° en su órbita alrededor del sol y gracias a ella gozamos de las cuatro estaciones. Pero, al igual que las peonzas, después de girar un rato, ésta comienza a bambolear y termina por caerse. Si esto sucediera en la Tierra, sólo tendríamos dos estaciones, un verano terriblemente caliente de seis meses donde el sol no se pondría nunca y un invierno enormemente frío y sin sol. Como consecuencia las plantas no sobrevivirían y tampoco los animales.

La Luna también actúa sobre la Tierra provocando grandes mareas en sus océanos. Gracias a estas mareas se forman charcas especialmente en estuarios y bahías pequeñas. Sin su influencia no existirían estos lugares tan valiosos para el desarrollo de la vida. Igualmente la Tierra se encuentra afortunada por la presencia del planeta Júpiter en el Sistema Solar, ya que se ha demostrado que desvía los asteroides y cometas al espacio exterior. Si Júpiter hubiera tenido un tamaño menor, su gravedad habría sido más débil permitiendo que éstos cayeran a la Tierra haciendo imposible la supervivencia.

Otra circunstancia extraordinaria es su ubicación. Aunque no lo parezca a simple vista, la Tierra está situada en un lugar privilegiado que recibe diversos nombres como “Zona Habitable”, “Zona Goldilocks” o “Zona Ricitos de Oro” en referencia al cuento infantil “Ricitos de Oro y los tres osos” en relación al pasaje donde la protagonista entra en la cabaña de unos osos ausentes que tenían la mesa puesta y en ella tres tazones de sopa de distinto tamaño. Tras descartar la sopa del tazón grande, por estar demasiado caliente, y la del pequeño, por estar demasiado fría, terminó por beberse la del mediano que se encontraba en la temperatura ideal.

Lo mismo le sucede a nuestra Tierra. La distancia que la separa del sol es también la ideal para que no nos abrasemos como Mercurio, ni nos muramos de frío como sucede en Marte, permitiendo que exista agua en estado líquido en su superficie, condición indispensable para que pueda sustentar vida.
Uno de los grandes misterios es cómo la Tierra ha podido conservar un clima estable durante 4.000 millones de años, cuando en sus orígenes el Sol llevaba muy poco tiempo brillando y emitía entre 1/4 y 1/3 de menos luz que ahora. Se han propuesto varias hipótesis para explicar este equilibrio medioambiental, pero hasta ahora no hay nada concreto. 


Nuestro Sistema Solar se encuentra, a su vez, en la zona «Ricitos de Oro” de la galaxia; la Vía Láctea. Un lugar suficientemente lejos de su centro para evitar la influencia de su agujero negro, de las radiaciones de las supernovas y las inestabilidades orbitales; pero, al mismo tiempo, lo suficientemente cerca de éste para poseer elementos químicos pesados (se llaman así porque su masa atómica es más pesada que la del hidrógeno y el helio que son los elementos más ligeros del universo) fundamentales, como no podría ser de otra forma,  para la vida.

Referencias:

–Nuestro sistema solar: Su lugar en el cosmos. Stuart Ross Taylor
– El planeta privilegiado. G.González y Jay W. Richards

La Realidad Plegada

David Bohm
El físico David Bohm, antiguo discípulo de Einstein, tenía una visión de la realidad distinta a la de sus colegas. Una de las cuestiones con las que discrepaba, estaba relacionada con la comunicación que se establecía entre las partículas entrelazadas a una velocidad superior a la de la luz, ver «El fantasma de Einstein». Y es que para él, aunque las partículas se percibieran como muy alejadas las unas de las otras, en realidad no existía tal separación.
Para explicar esta idea, propuso como ejemplo una pecera donde nada un pez. Frente a ésta sitúa dos cámaras, cada una de ellas graba un lado distinto de la pecera. Al mismo tiempo, dos pantallas de televisión proyectan la escena captada por cada cámara.
Un observador, ajeno a la realidad, ve en los televisores dos peces diferentes. Con el tiempo, comienza a darse cuenta que existe cierto sincronismo entre los ambos peces, pero no puede explicar que sucede porque ignora que en realidad es una única pecera y que los dos peces son uno sólo. Las dos pantallas de televisión corresponden al mundo tal cual lo vemos cotidianamente, pero el pez que nada en la pecera corresponde a un nivel de realidad más profundo.
Si las imágenes que ofrecen las televisiones son proyecciones bidimensionales de una realidad tridimensional, nuestro mundo tridimensional puede ser la proyección de una realidad multidimensional mayor.
En su libro “La totalidad y el orden implicado” expone que tras la apariencia separada de las cosas existe una realidad profunda donde todo está conectado y cualquier elemento del universo contiene la totalidad del mismo. Bohm compara la realidad con un holograma, porque en ellos cualquier parte del mismo es capaz de reproducir la totalidad… Pero, 
 
¿Qué es y como funciona un holograma?
Un holograma es una fotografía tridimensional realizada mediante un rayo láser. La luz de éste se hace llegar a un espejo semirreflectante. El haz que se refleja se envía hacía el objeto y luego es reflejada hacia una placa fotográfica. El otro haz de luz se envía directamente hacia la placa fotográfica donde provocará con el anterior un patrón de interferencia que será holograma. En él estará plegada toda la información del objeto. Cuando se ilumine la placa fotográfica con luz láser la información se desplegará y aparecerá la imagen tridimensional del objeto.
 
Aunque partiéramos el holograma por su mitad, ambas partes seguirían poseyendo la información completa, aunque con menos detalles, y si éstas se volvieran a dividir seguirían manteniendo dicha información y así sucesivamente, por lo que cada fragmento no puede considerarse como separada del conjunto.
¿Por qué compara la realidad con un holograma?
Bien, como se ha dicho, en el patrón de interferencia que forma el holograma se contenía toda la información del objeto de forma plegada. Bohm defiende que la realidad se encuentra igualmente plegada en lo que él denomina “orden implicado” donde todo está interconectado. El universo es un todo inseparable donde todo está contenido dentro de todo. Cuando la placa es iluminada con el láser, la información se despliega y se observa la imagen en tres dimensiones que equivalen, en esta analogía, al mundo tal y como nosotros lo percibimos y al que él denomina “orden explicado”.
El orden implícito genera las formas explícitas en un constante despliegue y repliegue denominado holomovimiento. Estas formas parecen estables pero están sometidas al cambio. El mundo es un solo un momento dentro de un proceso de cambio.
Además de la materia, Bohm propone que la conciencia se encuentra en el orden implicado y que no es algo distinto de ésta. Ambas envuelven proyecciones de una realidad superior que no es ni materia ni conciencia. Somos nosotros los que equivocadamente hemos hecho posible la idea separada de mente y cuerpo, pero en realidad no existe dicha separación. Esto implica, por ejemplo, que en un universo holográfico, cada cerebro humano puede penetrar en otro, por lo que en algún nivel superior la humanidad puede ser un solo organismo.
Igualmente el tiempo y el espacio forman parte del orden implicado. En cualquier periodo de tiempo dado puede estar plegado todo el tiempo y contiene toda la información sobre él, al igual que en la memoria el pasado está contenido en el presente. Además contiene ciertas implicaciones para el futuro aunque no es una implicación completa porque no ofrece un detalle completo del todo. Así como un fragmento del holograma se refieren con menos detalles al todo.
Para David Bohm la realidad debía existir independientemente de que fuera o no conocida, algo que iba en contra de la visión de Bohr, sin embargo creía que la comprensión del orden implicado haría posible una base común entre la teoría cuántica y la teoría de la relatividad.
“…todas las personas no dependen sólo de todas las demás, sino que todas las personas son todas las personas en un sentido más profundo. Nosotros somos la Tierra porque toda nuestra sustancia procede de ella y vuelve a ella…” Arte, diálogo y orden implicado.
David Bohm
La concepción de Bohm sobre el universo holográfico es algo más que una teoría científico-filosófica. La ciencia busca continuamente indicios que prueben si la realidad, tal y como la percibimos, es una ilusión tras la que se esconde una realidad más profunda.
Referencias:
– Diálogos con científicos y sabios: la búsqueda de la unidad. Renee Weber – Arte, diálogo y orden implicado. David Bohm

Creadores de Matrix

John Wheeler
 
Si la Escuela de Copenhague defendía que la realidad se encontraba en una onda de probabilidad mientras no fuera observada o medida, el físico Jonh Archibald Wheeler dio un paso más allá al defender que el universo se encontraba en un estado intangible hasta que surgió el primer observador consciente capaz de colapsar la onda y darle realidad.
¿Qué significa esto?
Evidentemente, como el universo es anterior al ser humano, el colapso de onda tiene un efecto HACIA ATRÁS EN EL TIEMPO, es decir, desde el nacimiento del ser humano hasta el Big Bang.
En 1978 desarrolló en su artículo “Law without law” un experimento denominado “acción retardada”. Se trataba de una versión del experimento de la ”doble rendija” de Young realizada con espejos y con una curiosa variación. La idea era la siguiente: una fuente de luz se proyectaba sobre un espejo semirreflector, es decir, que refleja la mitad de la luz y la otra mitad pasa a través de él. Por lo cual existían dos haces de luz: transmitido y reflejado.
En el camino de cada rayo de luz se situaba un espejo normal, de esos que solo reflejan, pero colocados de tal forma que hacían que dichos haces se cruzaran. Aquí se colocaron dos detectores. Dependiendo del camino que hubiera seguido el fotón sería registrado por un detector u otro (el fotón se comportaba como una partícula).
 
 
Sin interferencias
 
 
Aquí se pregunta Wheeler:
 
¿Puede el experimentador determinar qué ruta sigue el fotón?

Para reproducir el patrón de interferencia, se colocó un nuevo espejo semirreflector donde se cruzan los dos haces de luz, antes de los detectores. Cuando se producía un patrón de interferencia en el experimento de la “doble rendija” se observaban unas bandas luminosas correspondientes a los máximos de onda y bandas oscuras donde éstas se aniquilaban, pero en este experimento este patrón se manifiesta por el funcionamiento de un solo detector que recoge dicho máximo de onda, el otro no funciona ya que coincide con la destrucción de la misma (o sea como si fueran las bandas oscuras).
Cuando se realiza el experimento con un solo fotón, estando colocado el segundo espejo semirreflectante, sólo funciona un detector, es decir, se obtiene una interferencia, lo que equivale a que el fotón había recorrido los dos caminos posibles, había sido reflejado y transmitido por el primer espejo semirreflectante, para luego interferir consigo mismo en el segundo (el fotón se comportaba como una onda).
 
Con interferencias  
 
Lo verdaderamente curioso y extraordinario de este experimento no es la demostración de que el fotón se comporta como onda y partícula al mismo tiempo, algo que ya vimos en el artículo “Malditas Interferencias” sino que la observación de la ruta que ha seguido el fotón se realiza después de que éste haya emprendido el camino.
Sólo por el hecho de colocar o no el segundo espejo semirreflector podemos determinar si el fotón ha venido por una ruta o por las dos, pero esta “decisión” del fotón es un hecho del pasado y la acción de colocar el segundo espejo es un hecho del presente… entonces,
 
 
 
¿Cómo puede el fotón comportarse como si supiera de antemano si va a ser o no colocado el segundo espejo reflectante?
 
Para comprender la creación y la historia del universo, Wheeler traslada el experimento mental de la elección retardada del laboratorio a escala cósmica, utilizando como fuente de emisión de fotones un cuásar (objetos estelares muy distantes que emiten una luz equivalente a un billón de soles) y un telescopio. La luz llega a la Tierra directamente desde el cuásar, pero una porción de ella se dirige hacia el espacio en ángulos distantes. Sin embargo, esta luz encuentra en su camino una galaxia que la curvará, según la teoría de la relatividad, de tal forma que esos rayos también llegarán a la Tierra, pero utilizando otro sendero. Tenemos entonces dos rayos de luz procedentes del cuásar; uno directo y otro curvado hacia nosotros gracias al efecto provocado por la galaxia.
 
 
Cuando Wheeler situó el detector en la intersección de ambos rayos se reprodujo el patrón de interferencia, lo que significaba que el fotón había recorrido los dos senderos al mismo tiempo, sin embargo, cuando situaba el detector en cada sendero antes de la intersección, el fotón había viajado por aquel en el que era detectado.
Lo realmente curioso de este experimento es que el cuásar se encuentra a mil millones de años luz de distancia, es decir, que la decisión de colocar el detector en un lugar u otro afectó al recorrido del fotón hacia la Tierra, pero éste ya había emprendido el camino hacía mil millones de años, mucho antes de que existiera los seres humanos en el planeta. Es decir, las mediciones realizadas en el presente crean el pasado del fotón, pero en esta ocasión un pasado muy, muy remoto.
 
  
La conclusión a la que se llega es que el observador podía influir hacia atrás en el tiempo permitiendo que los efectos precedan a las causas. Este fenómeno se denomina «retrocausalidad».
 
 
 
 
Para Wheeler todo el universo es como el experimento de la elección retardada. Comienza con el Big Bang, crece y se hace más complejo, representándolo con un gran ojo con el que se observa a sí mismo creando la realidad desde su origen. El universo se convierte en un circuito de retroalimentación al que constantemente contribuimos creando el pasado y el futuro. Allí donde los observadores conscientes no han interactuado sólo existen nubes de incertidumbre.
 
 
Wheeler lo define como “Universo participativo”.
 
 
 
Para comprender la forma en que los observadores conscientes participan del universo lo asemeja a una anécdota vivida por él hace muchos años, cuando estando en una fiesta los invitados le gastaron una broma. Le pidieron que adivinara una palabra, en un máximo de 20 preguntas a las que sólo obtendría respuestas con un sí o un no. Cuando Wheeler adivinó la palabra los jugadores comenzaron a reírse porque en realidad no habían escogido ninguna, tan sólo contestaban sus preguntas al azar aunque de forma consecuente con lo ya respondido. Es decir, el resultado no existía con anterioridad, surgió en parte por el azar y en parte por las preguntas que eligió el físico.Wheeler comprendió que dependiendo del tipo de experimento la naturaleza se comporta como onda o partícula, el observador elige lo que quiere conocer de ella. “Dime que preguntas y te diré que ves” En un ensayo denominado “It from bit” explica que cada partícula en el universo existe como respuesta a preguntas afirmativas o negativas, es decir, opciones binarias, bits.
 
Cuando se observa un fotón se está añadiendo un bit de información a lo que conocemos del mundo.
 
Muchos físicos creen que el espacio puede dividirse en pequeñas celdas minúsculas, como un tablero de ajedrez tridimensional. En cada celda se almacenaría un bit de información. Las celdas pueden contener una partícula o no. De esta manera la información sobre la realidad se dispondría como si fuera un mensaje, pero el mensaje y la existencia física serían inseparables. Desde las partículas elementales hasta el espacio-tiempo procederían de la información en bits. Las leyes de la física se convertirían entonces en programas informáticos y el universo sería un gigantesco ordenador que almacena información que es en sí el propio universo.
 
es.wikipedia.org/wiki/Ajedrez_tridimensional

Pero Wheeler no era el único que concibió el universo como una colosal máquina de información, para David Bohm se asemejaba a un holograma, como veremos en la entrada «La Realidad Plegada«

 
 
 
 
 
Referencias:
– Entrelazamiento el mayor misterio de la física. Amir D. Aczel, J.Luis Sánchez Gómez 
– El universo inteligente. James N. Gardner

– Does the Universe exist if we´re not looking? Tim Folger. Revista Discover Junio 2002

– El juego de las veinte preguntas. José Gordon. Revista UNAM. Nº 49

– La guerra de los agujeros negros. Leonard Susskind.

– Orden y Sorpresa. Martin Gardner

– Nuevos espacios y nuevos entornos de educación. Peiró y Gregori

¡Malditas Interferencias!

Creemos que la realidad debe ser igual en todas partes, desde la partícula más pequeña hasta la más gigantesca estrella… pero ¿y si no fuera así?
¿y si entre las partículas se produjeran fenómenos que de suceder en nuestro mundo cotidiano podrían considerarse como mágicos?
La primera aproximación de la ciencia al mundo de las partículas fue al intentar resolver el enigma del comportamiento de la luz.
La luz está formada por partículas…
Newton nos dejó en su legado experimental, allá por el siglo XVII, una explicación que con el tiempo no satisfaría suficiente; que la luz estaba formada por unos pequeños elementos tangibles denominados corpúsculos. Sin embargo, la luz se empeñaba en no estar de acuerdo con Newton…sí ésta estaba formada por pequeños corpúsculos ¿como es que cuando dos rayos luminosos se cruzaban no se observaba ninguna perturbación cuando estos cuerpecillos chocaban unos con otros?
… no, por ondas…
Para dar respuesta a este interrogante, un científico contemporáneo suyo llamado Christiaan Huygens planteó la posibilidad de que la luz se pudiera descomponer en ondas. Pero esta idea también planteaba duda ya que si estaba formada por ondas y éstas necesitan de un medio para propagarse, ¿que medio utilizaban aquellas que llegaban desde las estrellas atravesando el vacío? ¿existía el éter?
Concepto medieval del cosmos. Las esferas más internas son las esferas terrestres, mientras que las externas están hechas de éter y contienen los cuerpos celestes. (De Fastfission – From Edward Grant, «Celestial Orbs in the Latin Middle Ages», Isis, Vol. 78, No. 2. (Jun., 1987), pp. 152-173. See also: F. A. C. Mantello and A. G. Rigg, «Medieval Latin: An Introduction and Bibliographical Guide», The Catholic University of America Press, p. 365 (on-line text here)., Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=317560)
… si, si, por ondas, fijo
En 1801, el físico Thomas Young, corroboró la teoría de Huygens mediante el famoso experimento denominado “de la doble rendija”.
El experimento consistía en hacer pasar un rayo de luz por una serie de tres pantallas paralelas. La primera tenía en su mitad una rendija estrecha. La segunda dos rendijas paralelas y estrechas. La tercera era lisa y sin rendijas.
Para comprender cómo Young demostró que la luz se comportaba como una onda primero hay que entender como se comportarían las ondas si pasaran a través de las tres pantallas mencionadas. Para ello imaginemos… ondas de agua. Al pasar por la primera pantalla éstas la atravesarían si problema y se propagarían hasta la siguiente pantalla. Pero en ésta, al haber dos rendijas unas ondas pasarían por una y otras por la otra. Una vez al otro lado, las ondas propagadas terminarían chocando entre sí. Donde un máximo de onda se encontrara con un mínimo se anularían mutuamente y donde dos máximos se encontraran se produciría un máximo de intensidad. Esto daría lugar a un dibujo sobre la tercera pantalla denominado “patrón de interferencia”. Young obtuvo en su experimento este patrón de interferencia cuando realizó el experimento con un rayo de luz.
Al pasar por ambas rendijas se producen interferencias en las ondas
Patrón de interferencia en la última pantalla
… por partículas, seguro…
A pesar de todo, aun se seguía sin comprender cómo se propagaban las ondas en el vacío, después de que científicos como Miechelson y Morley descubrieran que el éter no existía, ¡que contrariedad!
Pero existía otra cuestión que preocupaba a la comunidad científica; el denominado efecto fotoeléctrico, es decir, cómo era posible que se produjera electricidad cuando la luz incidía sobre una placa de metal.
En 1905, Albert Einstein expuso en un artículo que la luz interacciona con el metal porque ésta estaba formada por partículas (de nuevo) o paquetes de energía llamados cuantos (más tarde denominados fotones). Cuanto mayor era la frecuencia de la luz mayor la cantidad de electrones que eran expulsados del metal. En 1924, Einstein ganó el premio Nobel de física por su teoría del efecto fotoeléctrico. Más tarde fue demostraba mediante experimentos.
…¿en qué quedamos entonces… ondas o partículas?
Si como predijo Einstein, la luz estaba formada por unas partículas denominadas fotones, ¿como se había obtenido en el experimento de la doble rendija un patrón de interferencia igual al que producen las ondas?
Se llegó a pensar que, tal vez, era porque al haber una gran cantidad de fotones en dicho experimento, chocaban unos con otros, igual que las moléculas del agua al desplazarse conjuntamente. Por lo que, para salir de dudas, los científicos decidieron repetirlo, pero debilitando la intensidad de la luz, llegando a disparar los fotones ¡UNO A UNO! Es decir, se disparó un fotón -que ya sabemos que es una partícula- sobre las dos rendijas… y… ¿qué pasó?…
SE VOLVIÓ A REPRODUCIR EL PATRÓN DE INTERFERENCIA, ¿cómo?
Cada fotón era lanzado como partícula, pero al llegar hasta las rendijas se comportaba como una onda y las atravesaba al mismo tiempo, después interfería consigo misma, como lo harían las ondas de agua tras pasar por ambas aberturas, para volver a transformarse en una partícula y finalmente impactar contra la última pantalla dejando un puntito, que en un principio podría parecer situado al azar si no fuera porque al ir impactando una tras otra se iba recreando el increíble patrón de interferencia. Era como si cada partícula al chocar contra la pantalla supiera donde situarse para formar parte de una imagen global que formaría con sus compañeras lanzadas anteriormente y con las que serían lanzadas a continuación, es decir, como si los acontecimientos pasados y futuros influyeran en cada partícula.
“No sólo parece que cada partícula atraviesa ambos orificios a la vez e interfiere consigo misma, sino que de algún modo sabe dónde ubicarse en el motivo global para generar esta imagen, como si cada partícula fuera influida por eventos tanto pasados como futuros” 
John Gribbin ( The Little Book of Science)
El resultado final del experimento demostró que la luz se comporta como onda y como partícula al mismo tiempo.

Pero… hemos visto pasar a un fotón por dos lugares al mismo tiempo…

¿Cómo puede suceder esto? ¿son paranormales los fotones?
No solo los fotones. En 1924, De Broglie sospecha que las partículas que se encuentran en el átomo podían también comportarse como ondas, tres años después se consiguió experimentar con un haz de electrones observándose resultados similares a los de la doble rendija. Más recientemente el físico Antón Zeilinger consiguió repetir el experimento con moléculas de gran tamaño y hoy en día se está tratando realizar con virus y otros organismos más complejos:
A la extraordinaria capacidad que poseen los elementos microscópicos de poder encontrarse en dos lugares al mismo tiempo la denomina los físicos superposición cuántica

¿Cuál es el tamaño límite para que un objeto se encuentre en superposición cuántica? 

Aunque hay varias teorías al respecto parece ser que los científicos aún no se han puesto de acuerdo.
Continuamente aparecen noticias sobre nuevos experimentos con elementos cada vez más grandes. Puedes echarle un vistazo a este artículo:
 
¿Que significa este descubrimiento?
Que la realidad está formada por microscópicos elementos que se comportan de forma “paranormal” porque tan pronto son materia sólida, como las partículas, tan pronto son una simple perturbación como las ondas.
Que la realidad está formada por elementos que pueden estar en varios lugares al mismo tiempo… ¿cómo? Pues situándose en todos los sitios a la vez, en una especie de nebulosa donde todo es posible.
Que la realidad está formada por elementos que están influidos por acontecimientos del pasado y del futuro.
Todo esto sucede a nuestro alrededor, pero al no poder verlo no somos conscientes, sin embargo, esta “mágica” realidad nos afecta constantemente de una forma que ni siquiera imaginamos… ¿y si pudiéramos influir en la realidad? Aunque sea de forma inconsciente e involuntaria, algunos científicos cuánticos ha teorizado con esta posibilidad.
Si queréis saber cómo os recomiendo que leáis a continuación la entrada
“¿Alguien ha visto un lindo gatito?”.
Referencia:  «El pequeño libro de la ciencia» John Gribbin

¿Alguien Ha Visto Un Lindo Gatito?

Si la realidad nos ha sorprendido por sus “rarezas” a escala microscópica, esto no ha hecho más que empezar. En el siglo XX los físicos demuestran que tanto las partículas elementales como los átomos y las moléculas cumplían una extraña paradoja: la misteriosa cualidad de ser onda y partícula al mismo tiempo. Bien, parece que ahora tan sólo tenemos que asimilarlo y aceptarlo como parte de una realidad inesperada y extraña… pero, ¡no queda aquí la cosa!

Volvamos al experimento de la doble rendija de Young. Como se comentó en el artículo “¡Malditas Interferencias!”, tanto fotones como electrones podían pasar por ambas rendijas a la vez y proyectaban su consabido patrón de interferencia al llegar a la última pantalla.

Pues bien, para refinar más el experimento, los científicos decidieron poner un detector en cada rendija para saber qué sucedía en cada una de ellas… 

¿Y QUE SUCEDIÓ?

Que cada partícula decidió entrar por una de las dos rendijas y no por ambas, es decir, no se comportaron como ondas, siguieron siendo partículas ¡como si supieran que las estaban observando! 

y como consecuencia el patrón que se obtuvo en la última pantalla no fue el de interferencia de las ondas. ¿Qué patrón apareció entonces?

 Pues el que se hubiera obtenido si el experimento se hubiera realizado con canicas o cualquier elemento tangible: dos franjas de impacto paralelas.

En este vídeo encontrarás una divertida y clara explicación

¿Q

¿QUE SIGNIFICA ESTO? UE SIGNIFICA ESTO?

Significa que en el experimento se ha introducido la observación, pero… 

 ¿Qué es observar?

Hasta que no son observados
 los objetos cuánticos
 ¿existen?

En física clásica observar es medir las propiedades de un objeto. Por ejemplo, sabemos que una piedra tiene una propiedades que nos hacen reconocerla como piedra (tamaño, forma, peso, etc.) esas propiedades están ahí aunque no las estemos observando. Pero el mundo cuántico, ya hemos visto, que va por libre y en él las cosas no son así. Las propiedades de los objetos no se pueden definir antes de ser observados, lo único que existe es un conjunto de probabilidades, que se describen mediante la función de onda (Es un objeto matemático que nos informa de cuáles son los resultados posibles de una medida y sus probabilidades relativas, pero no nos dice qué resultado concreto se obtendrá si un observador trata efectivamente de medir el sistema o averiguar algo sobre él – Wikipedia) , por lo que se podría decir que antes de medir, los objetos cuánticos son una función matemática, una superposición borrosa de posibilidades. Si no lo observamos, éstos se comportan de forma determinista, es decir, según describe la Ecuación de Schrödinger (Ecuación de onda que predice analíticamente y con precisión, la probabilidad de eventos o resultados)

¡¡¡Ufff!!!

Todo lo que puede describirse con la ecuación de Schrödinger está en un estado superposicional existiendo en todos los estados cuánticos posibles a la vez (posición, momento, energía). Pero durante el experimento de la doble rendija, al medirse la posición se obtiene un único resultado con una probabilidad del 100% y no se produce patrón de interferencia.


¿Y de qué depende dicho resultado? 

De la Regla de Born, que establece que la probabilidad de encontrar un objeto cuántico en cualquier lugar es proporcional al cuadrado de la función de onda.

Pero, ¿por qué produce el colapso de la onda de probabilidad? 

Heinsenberg interpretó que la medición producía el colapso de la función de onda, desde un estado superposicional a un solo estado. Si tan solo se puede asignar una probabilidad a cada posibilidad lo que se está afirmando es que el resultado es una cuestión de azar, y es justamente eso lo que decía Einstein que no creía que hiciera «Dios» o «El Viejo» con el universo:  “jugar a los dados”.

¿Qué sucede “realmente” cuando se observa?

Bien, los científicos dan varias explicaciones ¡la cosa no es para menos! su sentido de la realidad empieza a tambalearse y no todos están de acuerdo a la hora de interpretar lo que ven. Para resumir hay que decir que existen varias interpretaciones, una de ellas es la  de Copenhague que se debe a los científicos Niels Bohr y Werner Heisenberg, del Instituto de Física Teórica de Copenhague. Para dicha escuela, se produce una observación cuando un objeto microscópico interacciona con un objeto macroscópico. Por ejemplo, cuando una película fotográfica es golpeada por un fotón, ésta ha «observado» el fotón o cuando un contador Geiger produce un chasquido al entrar un electrón, entonces el contador ha “observado” al electrón.   Cuando se produce dicha observación la onda de probabilidad colapsa.

Pero para el matemático John von Neumann el contador Geiger entraría también en estado de superposición junto con el electrón y si un segundo aparato entrara en contacto con el contador se uniría igualmente al estado de superposición y así sucesivamente, es lo que se denomina la cadena de von Neumann.

¿Cuándo pararía la cadena de crecer?

Von Neumman demostró que ningún sistema físico que obedeciera las leyes de la física podría provocar el colapso de la función de onda, es necesario que exista un “observador” externo al sistema que escape al comportamiento de la mecánica cuántica y provoque que la realidad deje de estar en superposición. Este observador externo sólo puede ser la conciencia humana, pues ésta no es materia, así pues, el “observador” capaz de acabar con la superposición y materializar una realidad concreta solo puede ser un “observador” consciente.

Aplicando la cadena de von Neumann al experimento de la doble rendija sería algo así:

Aquí también podríamos preguntarnos ¿Qué es un observador consciente?

Este es un tema bastante profundo que será tratado en otras entradas dedicadas al misterio de la consciencia. Por ahora, es intuitivo pensar que los seres humanos somos conscientes, pero ¿son conscientes los animales? ¿lo son los robots? 

Solo como apunte, es preciso difundir la declaración sobre la consciencia de los animales  firmada en la Universidad de Cambrige, el 7 de julio de 2012 y realizada por 13 neurocientíficos de prestigiosas instituciones como Caltech, MIT, el Instituco Max Planck, en presencia de Stephen Hawking.

«De la ausencia de neocórtex no parece concluirse que un organismo no experimente estados afectivos. Las evidencias convergentes indican que los animales no humanos tienen los sustratos neuroanatómicos, neuroquímicos, y neurofisiológicos de los estados de la conciencia junto con la capacidad de exhibir conductas intencionales…» 

Low, Philip et al. (2012) The Cambridge Declaration on Consciousness 

Así pues, podríamos suponer que los animales también podrían colapsar la onda de superposición y materializar la realidad. Aunque también podemos preguntarnos ¿es lo mismo tener consciencia que estar consciente? ¿Puede materializar la onda de probabilidad, mediante la observación, un individuo que no sepa interpretar la información que envía el detector?

Afirma Schrödinger:

«¿Sería el mundo de otro modo sin observadores conscientes, una obra representada ante asientos vacíos, sin existir para nadie, y por ende sin existir propiamente?«

Un par de años después de que von Neumann nos mostrara la necesidad de la consciencia, Schrödinger creó la metáfora del gato para poner a prueba la cuestión de la superposición de estados sobre todo cuando se relacionan con estados macroscópicos, dando lugar a situaciones absurdas.

LA PARADOJA DEL GATO

El físico Edwin Schrödinger propuso, en 1935, un experimento mental conocido como “El gato de Schrödinger” (no perder de vista este gato porque está encerrado en más de una entrada) que consistía en meter dentro de una caja opaca a un pobre gato, un aparato con un 50% de posibilidades de emitir una partícula radioactiva y un contador Geiger dispuesto de tal forma que si registraba la emisión de dicha partícula activara un mecanismo donde un martillo rompería una botella de gas venenoso. La cuestión es que el gato tenía un 50% de posibilidades de vivir o morir. Bien, pues para averiguar el resultado del experimento era necesario abrir la caja y observar dentro pero, ¿Qué sucede mientras no se abre? 

Para Einstein, el gato estaría en todo momento del experimento vivo o muerto, ya que consideraba que la información de lo que sucedía era incompleta. Al abrir la caja no sucede nada sorprendente, el estado del gato cambia porque lo hace la información que se tiene sobre él.

Para la escuela de Copenhague, en cambio, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo, se encuentra en un estado borroso y sólo se hace nítido al abrir la caja. Pero ¿Qué es medir en este experimento? ¿Abrir la caja? ¿Por qué se trata cuánticamente al gato y a la caja y no a la persona que mira dentro? ¿Qué pasaría si en lugar de un gato fuera una persona quien estuviera en la caja? o ¿Qué pasaría si una persona observa a otra abrir la caja?

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Los siguientes videos son un episodio de la serie de televisión «Gritos en la noche» titulado «Si un árbol cae…» es una historia de miedo que plantea de forma curiosa el poder de la observación

1ª PARTE

2ª PARTE

                        

Referencias:

– El enigma cuántico. B Rosenblum y F. Kuttner

– Más allá de la razón: ocho grandes problemas que revelan los límites de la ciencia. AK Dewdney 

– Cómo llegamos a conocer el cosmos: Light & Matter. Helen Klus

– Declaración de Cambrige sobre la consciencia

– Algunos aspectos de la Mecánica Cuántica. M.R.Guerra

– Cuántica sin fórmulas. El gato de Schrödinger

– La física cuántica. Etienne Klein 

– Misticismo cuántico. Wikipedia

– Interpretaciones de la mecánica cuántica. Wikipedia