Estimados Client@s y/o amantes del LEAN:
Como continuación de nuestro escrito anterior, desarrollaré
un poco más el enorme avance que las ecuaciones de la Teoría General de la
Relatividad supusieron para la dar un poco de luz a la pregunta del millón,
desde que la Humanidad existe: “ De dónde venimos y a dónde vamos”
La precesión de la
órbita de Mercurio
La teoría general de la relatividad fue la primera teoría
científica que pudo explicar no tan solo cómo se mueven los objetos en el
Universo sino también cómo podría evolucionar el Universo en sí
Hacía ya tiempo que los astrónomos habían observado que la
órbita de Mercurio difería ligeramente de la que predijera Newton. Así, en
lugar de trazar una elipse perfecta que vuelva sobre sí misma, la órbita de
Mercurio experimenta una precesión (es decir, tras completar una órbita, el
planeta no regresa con exactitud al mismo punto, sino que la orientación de la
elipse cambia ligeramente a cada paso, de forma que va dibujando un recorrido
espiraloide) de una magnitud increíblemente pequeña: 43 segundos de arco
(aproximadamente una centésima de grado) por siglo
En cambio, cuando Einstein calculó la órbita de acuerdo con
su Teoría General de la Relatividad, obtuvo la cifra exacta
Según la valoración de un biógrafo de Einstein, Abraham
Pais: “A mi entender, este descubrimiento supuso la experiencia emocional más
poderosa-con mucho- de toda la vida científica de Einstein; incluso de toda su
vida”
Hay más galaxias
que la nuestra
En 1927 un sacerdote y físico belga llamado Lemaitre
demostró que la teoría predice que el Universo no es estático y sugiere, de
hecho, que vivimos en un Univeros en expansión. Esta idea se antojaba tan
extravagante que el propio Einstein replicó con el siguiente comentario
pintoresco: “ Emplea usted una Matemática correcta, pero una Física abominable”
Lemaitre no convenció al mundo científico de que el Universo
se estaba expandiendo
Como siempre en la buena ciencia, la prueba se obtuvo
mediante observaciones cuidadosas, en este caso realizadas por Edwin Hubble
Hubble ya había logrado un adelanto notable en 1925,
mediante un nuevo telescopio del Monte Wilson, el Hooker de 100 pulgadas ( a
efectos de comparación, digamos que ahora estamos construyendo telescopios cuyo
diámetro es más de diez veces superior, y la superficie, ¡ cien veces más
extensa!).
Hasta aquel momento, con los telescopios entonces
disponibles, los astrónomos podían distinguir imágenes borrosas de objetos que
no eran simples estrellas de nuestras galaxias. Las Las llamaron “nebulosas”, a
tenor, precisamente, de lo nebuloso de las imágenes. Tambien discutían si tales
objetos se hallaban en nuestra galaxia o fuera de ella.
El día de Año Nuevo de 1925, Hubble publicó los resultados
de sus dos años de estudio de las llamadas “nebulosas espirales”. Había logrado
identificar en esas nebulosas –incluida la que hoy conocemos como
Andrómeda-cierto tipo de estrella variable, denominada “cefeida”
Hubble acertó a emplear su medición de las cefeidas y la
relación de Leavitt entre periodo y luminosidad para demostrar definitivamente
que las cefeidas de Andrómeda ( y otras varias nebulosas estaban tan lejos como
para hallarse dentro de la Vía Láctea. Se descubrió que Andrómeda era otro
Universo aislado: otra galaxia espiral, cai idéntica a la nuestra, y una de las
más de 100.000 millones de galaxias que, según sabemos ahora, existen en
nuestro universo observable.
Un Universo en
expansión
Tras este descubrimiento espectacular, Hubble se podía haber
dormido en los laureles, pero iba detrás de una pieza mayor, descubrió algo más
llamativo: ¡! el Universo estaba en expansión !!
Hubble alcanzó este resultado comparando las distancias a
las galaxias que él media con un conjunto de mediciones distinto, de otro
astrónomo estadounidense, Vesto Slipher, que había medido los espectros de luz
que procedían de esas galaxias
Examinar el espectro de radiación que procede de otras
estrellas es una técnica específica relevante para comprender la composición,
temperatura y evolución de tales estrellas. A partir de 1912, Slipher examinó
los espectros luminosos procedentes de varias nebulosas espirales y halló que
rean similares a los de estrellas cercanas, salvo por el hecho de que todas las
líneas de absorción se desplazaban en una misma cantidad de longitud de onda.
En aquel momento, se entendió que el fenómeno se debía al
conocido “efecto Doppler”, que en 1842 había explicado que las ondas que
recibimos desde una fuente en movimiento se alargan si la fuente se aleja de uno
y se comprimirán si se acerca.
Hay más masa de la
que se ve
La gravedad es la principal de las fuerzas que intervienen
en la descomunal escala de las galaxias, por lo que medir el movimiento de
objetos a esas escalas nos permite investigar la atracción gravitacional que
impulsa ese movimiento.
Tras observar estrellas y gas caliente que estaban cada vez
más lejos de nuestra galaxia, la astrónoma estadounidense Ver Rubin determinó
que estas regiones se estaban moviendo a una velocidad muy superior a las que
les correspondería si la fuerza gravitacional que impulsaba su movimiento
respondiera a la masa de todos los objetos observados dentro de la galaxia.
Gracias al trabajo de Rubin, con el tiempo, los cosmólogos
comprendieron que la única forma de explicar este movimiento era postular que
en nuestra galaxia existía mucha más masa que la que resultaba del simple hecho
de sumar la masa de todas esas estrellas y ese gas caliente.
La lente
gravitacional
Tanto si la cantidad de materia oscura era bastante para
producir un universo plano como si no, observaciones como las que se obtuvieron
gracias al efecto de lente gravitacional ( recuerdo aquí que la lente
gravitacional la genera la curvatura local del espacio alrededor de objetos de
gran masa; el carácter plano del Universo se relaciona con la curvatura media
global del espacio y hace caso omiso de las ondulaciones locales en torno de
objetos masivos), al igual que observaciones más recientes de otras áreas de la
astronomía han confirmado que la cantidad total de materia oscura en las
galaxias y cúmulos supera con mucho la que permiten los cálculos de la nucleosíntesis
del Big Bang
El resplandor
residual del Big Bang
Una de las cosas más extraordinarias del fondo cósmico de
microondas es que, de todos los lugares posibles, la descubrieron en Nueva
Jersey dos científicos que en realidad no tenían la menor idea de lo que
buscaban. El otro factor asombroso es que, durante décadas, tuvimos esa
radiación ante nuestras narices; podíamos haberla observado, pero se nos escapó
por completo. De hecho, cuando las cadenas de televisión solían cerrar sus
emisiones de madrugada, cuando se terminaba la emisión, tras la carta de
ajuste, la pantalla se volvía a quedar estática. Cerca del 1% de la estática
que aparecía en la pantalla era la radiación residual del Big Bang
Penzias y Wilson, descubridores de la radiación del fondo
cósmico de microondas
La WMAP
Después de que el experimento BOOMERANG publicase sus
resultados, la NASA para investigar la radiación del fondo de microondas lanzó
un satélite mucho más sensible: la WMAP
Un recuadro de la WMAP análogo al que nos mostró la imagen
del BOOMERANG confirma con una precisión del 1% que ¡vivimos en un universo
plano!
Un paso adelante y
dos atrás
Aunque las observaciones habían determinado, por fin de
forma definitiva, la curvatura de nuestro Universo, aun sabiendo que en el
Universo existe diez veces más de materia de la que se pueden atribuir a los
protones y neutrones, ni siquiera toda esa enorme cantidad de materia
oscura-que suma el 30% de lo que se necesitaba para producir un Universo
plano-era ni de lejos suficiente como para explicar toda la energía del
Universo
La medición directa de la geometría del Universo y el
consiguiente descubrimiento de que el Universo es en efecto plano significó que
el 70% de la energía del Universo seguía sin localizar; ni dentro de las
galaxias ni en su alrededor ¡ni siquiera en los cúmulos de galaxias!
La sencillez de las
ecuaciones de la Relatividad General de Einstein
Aunque los detalles son complejos, la estructura general de
ls ecuaciones de la Relatividad General de Einstein es relativamente sencilla.
Las ecuaciones de campo de Einstein tienen la forma:
G=kT
donde G es una expresión matemática llamada ‘tensor de
Einstein’ que contiene toda la información geométrica del espacio-tiempo, y T
es el ‘tensor de energía-impulso’ que describe las propiedades físicas de los
sistemas materiales que generan la gravitación.
La parte izquierda de la ecuación describe la curvatura del
Universo, y con ello la potencia de las fuerzas gravitatorias que actúan sobre
la materia y la radiación. Estas las determina la cantidad indicada en la parte
derecha de la ecuación, que refleja la densidad total de todas las clases de
energía y materia del Universo
Einstein vio que añadir un pequeño término constante a la
izquierda de la ecuación implicaría añadir otra pequeña fuerza de repulsión
constante en to el espacio además de la atracción gravitatoria estándar entre
objetos distantes, que disminuye a medida que aumenta la distancia entre ellos.
Einstein llamó “término cosmológico” a este término añadido.
Pero como se trata simplemente de un añadido constante a las ecuaciones, hoy
día lo habitual es llamarlo la “constante cosmológica”
Trasladar el
término de Einstein de la izquierda de la ecuación a la derecha es un pequeño
paso para un matemático…pero un gran salto para un físico
Aunque este paso resulte trivial a nivel matemático, una vez
situado el término a la derecha-donde se encuentran todos los términos que
contribuyen a la energía del Universo-, este representa algo completamente
distinto a ojos del físico: una nueva contribución a la energía total
La antimateria
La ecuación de Schoedinger, base de la mecánica cuántica,
había descrito con precisión y belleza el comportamiento de los electrones que
se desplazan a velocidades muy inferiores a la velocidad de la luz.
Dirac descubrió que si modificaba la ecuación de
Schroedinger y la convertía en otra más compleja, mediante el uso de matrices
lo que significaba que su ecuación describía, en realidad, una serie de cuatro
ecuaciones emparejadas distintas- podría unificar de forma consistente la
mecánica cuántica y la relatividad y, de este modo, en principio describir el
comportamiento de sistemas donde los electrones se movían a velocidades muy
superiores
Pero su ecuación parecía requerir asimismo la existencia de
partículas nuevas, igual que los electrones, pero con la carga eléctrica
contraria
En aquella época, solo se conocía una partícula elemental en
la naturaleza que tuviera una carga contraria a la del electrón: el protón.
Pero los protones no se parecen en nada a los electrones. Para empezar, ¡pesan
2.000 veces más!
Casi dos años después de que Dirac formulara su ecuación,
los investigadores que observaban los rayos cósmicos que bombardean la Tierra
hallaron pruebas de la existencia de nuevas partículas idénticas a los
electrones pero con la carga eléctrica contraria, a los que apodaron positrones
Paul Dirac
La mayor parte de los párrafos de este escrito han sido
sacados del libro : Un Universo de la Nada, de Lawrence Krauss
Concluiremos esta excitante explicación en un escrito
posterior
Como siempre, he
incorporado estas reflexiones en el blog:
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro
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