Siete breves lecciones de física

En “Siete breves lecciones sobre física”, Carlo Rovelli habla brevemente sobre las teorías físicas más importantes para comprender la estructura del mundo en los últimos años. ¿Qué misterios ya han resuelto los científicos y cuáles aún no se han resuelto? ¿Cómo se forman los agujeros negros, qué son la materia oscura y el Big Bounce?

El físico italiano y divulgador de la ciencia, incluido en la lista de los 100 pensadores del mundo, habla con facilidad y sencillez sobre los problemas que están resolviendo los científicos modernos. Después de leer este libro, navegarás mejor por las discusiones científicas modernas y, lo más importante, comenzarás a mirar las estrellas nuevamente y aprenderás a apreciar aún más la frágil y hermosa vida en el planeta Tierra.

Sobre el Autor

Carlo Rovelli es un físico teórico italiano, uno de los cuatro fundadores de la teoría de la gravedad cuántica de bucles. Autor y coautor de libros que cuentan a una amplia audiencia sobre importantes descubrimientos en física. En 2019, entró en el top 100 de pensadores mundiales según la revista Foreign Policy.

Siete pequeños capítulos sobre la estructura del mundo

Carlo Rovelli es el fundador de la teoría de la gravedad cuántica de bucles, intenta conectar teorías físicas basadas en diferentes principios: relatividad general y física cuántica. Si tiene éxito, esto le permitirá a él y a sus colegas cerrar los puntos ciegos en la ciencia de las leyes de la naturaleza y construir una teoría universal de todo. En su libro «Siete estudios de física», Rovelli sostiene que las teorías anteriores en su mayor parte no se contradicen entre sí, sino que miran el mundo desde diferentes ángulos. Habla de cosas complejas de manera simple y clara, porque sus bocetos son una versión ampliada de una serie de artículos del suplemento del periódico italiano Il Sole 24 Ore, que escribió específicamente para aquellos que saben poco o nada de ciencia moderna.

Estudio 1. Teoría general de la relatividad de Albert Einstein

En 1905, la prestigiosa revista científica alemana Annals of Physics publicó varios artículos de un recién graduado de la Universidad Politécnica de Suiza, Albert Einstein. Uno de ellos describió su primera teoría de la relatividad, más tarde llamada especial. El artículo explicaba que el tiempo no pasa de la misma manera para todos: el presente es subjetivo . A pesar de su reconocimiento por parte de los científicos y las posteriores ofertas de trabajo que recayeron sobre Einstein, su teoría no concordaba con la ya existente ley de gravitación universal de Isaac Newton. 

Einstein trabajó en este problema durante 10 años y, como resultado, publicó la teoría general de la relatividad; el físico ruso Lev Landau la llamó la teoría física más hermosa que existe .

Newton explicó la caída de objetos y la rotación de los planetas por la acción de la gravedad, que, como un imán, atrae los cuerpos materiales entre sí. Representó el espacio del Universo como un contenedor espacioso o una caja enorme, donde todos los objetos se mueven en línea recta hasta que la fuerza hace que sus caminos se doblen. En qué consiste este contenedor mundial y cómo actúa la fuerza de la gravedad sobre los objetos distantes entre sí sigue siendo un misterio. 

Los ingleses James Maxwell y Michael Faraday, incluso antes del nacimiento de Einstein, agregaron un elemento importante al mundo newtoniano: un campo electromagnético que vibra y llena el espacio. Desde su juventud, fascinado por el campo electromagnético que hace girar los rotores de las centrales eléctricas construidas por su padre, Albert Einstein se dio cuenta de que la gravedad (la interacción de cuerpos u objetos materiales) es como él. Cayó en la cuenta de que el espacio y el campo gravitacional son lo mismo . No estamos dentro de una estructura rígida: la Tierra gira alrededor del Sol, porque está en un espacio curvo y gira en él como una bola en un embudo. 

Según la relatividad general, el espacio y el tiempo son curvos. Más lejos de la superficie de la tierra, el tiempo pasa más rápido: el gemelo que vive junto al mar es un poco más joven que el pariente montañés. A veces, el espacio se curva hasta tal punto que desaparece, se convierte en un agujero negro. Esto sucede cuando una estrella grande se quema: sus remanentes se comprimen en un solo punto.

Además, Einstein sugirió proféticamente que el espacio se expande y se balancea constantemente . Su expansión, iniciada por el Big Bang del entonces pequeño y muy caliente Universo, se registró por primera vez en 1930.

«La teoría [de la relatividad] describe un mundo multicolor y deslumbrante, donde los universos explotan, el espacio se colapsa en agujeros sin fondo, el tiempo se ralentiza cerca de los planetas y las ondas corren a través del espacio interestelar ilimitado, como en la superficie del mar …» – resume el primer capítulo de Carlo Rovelli.

2. Mecánica cuántica

La teoría de la mecánica cuántica se originó en 1900, cuando el alemán Max Planck, utilizando un experimento con una caja caliente, presentó la energía de un campo eléctrico dividido en porciones: un cuanto. Antes de eso, la opinión predominante era que la energía es continua.

Posteriormente, Einstein, en un artículo por el que fue galardonado con el Premio Nobel, demostró que la luz también se compone de «ladrillos». Hoy las llamamos porciones de fotones de luz.

Planck resultó ser el «padre biológico» de la teoría, Albert Einstein la «mencionó». Además, se desarrolló gracias a los «mentores»: el danés Niels Bohr y el alemán Werner Heisenberg. 

En las décadas de 1920 y 1930, Niels Bohr se dio cuenta de que la energía de los electrones dentro de los átomos adquiere solo valores específicos: los electrones saltan a lo largo de órbitas atómicas, liberando o absorbiendo una cierta cantidad de energía . 

Un electrón es una partícula elemental con carga eléctrica negativa. Forma parte de los átomos junto con los protones (con carga positiva), neutrones (con carga neutra) y otras partículas. El número de electrones y protones en un átomo es siempre el mismo: corresponde al número ordinal del elemento en la tabla periódica.

Las mejores mentes del momento comenzaron a estudiar estos saltos cuánticos en el Instituto Bohr de Copenhague.

Werner Heisenberg, quien escribió las primeras ecuaciones, sugirió que los electrones se materializan solo cuando chocan con algo . No tienen una ubicación específica. La realidad parece dibujada con una línea de puntos. Los saltos cuánticos son la única forma de que los electrones se vuelvan reales. En este caso, los saltos son aleatorios. Es imposible predecir dónde aparecerá exactamente el electrón, solo es posible calcular la probabilidad con la que estará en algún lugar . Esto era muy inusual en la física, que tradicionalmente ha estado dominada por leyes estrictas. 

Einstein nominó a Heisenberg para el Premio Nobel de Física, reconociendo la importancia de su trabajo, pero se quejó de que las declaraciones de su colega tenían poco sentido. Habiendo cuestionado los fundamentos de la física newtoniana, Einstein ahora dudaba de que «el mundo no puede ser tan extraño». Las discusiones con Bohr tomaron muchos años. Los dos grandes físicos nunca llegaron a una opinión común, sus discusiones se plasman en cartas, artículos y conferencias. Al mismo tiempo, Bohr admiraba abiertamente el genio de Einstein, y tras su muerte, en una pizarra de la oficina de Niels Bohr, encontraron una imagen de una caja llena de luz, que fue inventada por el autor de la teoría de la relatividad. 

“Hasta el final, el deseo de discutir con uno mismo para comprender más. Y hasta la última duda ”, escribe Rovelli.

Hoy en día, la mecánica cuántica juega un papel importante no solo en la física sino también en la química, la biología, la ingeniería y la tecnología. Sin él, no habría transistores, componentes electrónicos que son la base de toda la electrónica moderna. 

La teoría cuántica ha revelado preguntas, cuya búsqueda de respuestas aún está en curso. ¿Qué es ella misma: un error de cálculo aleatorio, una pieza de un rompecabezas o una clave del principio fundamental del mundo? Ésta es la pregunta que hace el autor del libro.

Etude 3. Macrocosmos: Mapa del Universo

Carlo Rovelli describe seis conceptos básicos de nuestro universo.

1. Durante miles de años, la gente imaginó el espacio de forma primitiva: debajo de la Tierra, sobre el cielo.

2. Hace 26 siglos, Anaximandro reemplazó el esquema anterior. Presentó la Tierra como un enorme bloque flotando en el espacio: el cielo comenzó a rodearlo por todos lados (y no solo desde arriba). 

3. Entonces Parménides o Pitágoras (no se conocen exactamente) sugirieron que la Tierra tiene una forma esférica. Aristóteles demostró esto en su tratado Sobre el cielo. También estaba convencido de que la Tierra y otros cuerpos celestes que giran a su alrededor son redondos. La imagen aristotélica del mundo «vivió» hasta el final de la Edad Media: tal idea del mundo fue recibida por Dante y Shakespeare.

4. El siguiente avance fue realizado a principios del siglo XVI por Nicolaus Copernicus, quien se dio cuenta de que el Sol estaba ubicado en el centro del círculo de planetas. Nuestro planeta se ha convertido en uno entre otros, girando alrededor de su eje y alrededor de una estrella común. 

5. Más tarde, gracias a instrumentos mejorados, quedó claro que el Sol es solo una estrella entre cien mil millones de otras estrellas en nuestra Galaxia, y el Sistema Solar es uno de muchos sistemas.

6. En la década de 1930, mediciones astronómicas precisas mostraron que nuestra propia Galaxia es una mota de polvo en una enorme nube de galaxias. La imagen tomada por el telescopio Hubble mostró una imagen del cielo más profunda que la vista anteriormente:

Cada punto negro en la imagen (a simple vista, todo el cielo se vería negro) es una galaxia. En los últimos años, se ha podido ver que en estas galaxias alrededor de la mayoría de las estrellas similares a nuestro Sol, giran planetas, de los cuales hay miles de millones en el Universo.

Teniendo en cuenta que el espacio es curvo, a veces tan fuerte que aparecen caídas, agujeros negros, el Universo se balancea en enormes olas similares a las del mar. 

Este espacio flexible infinito, salpicado de galaxias y en evolución durante 15 mil millones de años, emergió de una nube densa y caliente, por lo que la historia del Universo se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:

El universo comenzó como una pequeña bola y luego se expandió a su tamaño actual. Esta es la visión más moderna y a mayor escala del universo que conocemos. La ciencia aún no sabe si existen otros universos similares o diferentes.

Etude 4. Microcosmos: partículas elementales de materia

La luz está hecha de fotones y los objetos que puedes tocar están hechos de átomos. Cada átomo tiene un núcleo en su interior. Está rodeado de electrones. Y en el núcleo mismo hay protones y neutrones, que consisten en partículas aún más pequeñas: quarks. 

El nombre «quark» tiene raíces literarias. El físico estadounidense Murray Gell-Mann denominó a estas partículas, inspirado en la frase del trabajo de James Joyce «Finnegans Wake»: «¡Tres quarks para Master Mark!»

Los quarks dentro de los protones y neutrones «pegan» los gluones (del inglés pegamento – pegamento). 

Los fotones, electrones, quarks, gluones y otras partículas elementales (hay menos de 10 tipos en total) son componentes de todo lo que nos rodea. Ellos, como pequeñas partes de un diseñador gigante, construyen la realidad material que nos rodea.

El vacío, donde no hay absolutamente nada, no existe. Los campos que forman el mundo material fluctúan y las partículas elementales bajo la influencia de estos movimientos surgen y desaparecen continuamente. Sus vidas son fugaces. El microcosmos descrito por la mecánica cuántica y la teoría de partículas elementales es un mundo de eventos, no de objetos.

La teoría, denominada «Modelo estándar de partículas elementales», ha sido construida desde la década de 1950 por Richard Feynman, Murray Gell-Mann, Peter Higgs y otros físicos. A pesar de los experimentos exitosos, los científicos no se lo toman demasiado en serio.

Consiste en varias ecuaciones juntas sin un orden explícito. Además, estas ecuaciones están lejos de la elegante simplicidad de las ecuaciones de la relatividad general y la mecánica cuántica.

Uno de los autores de la primera y principal ecuación del «modelo estándar» Paul Dirac en los últimos años de su vida estaba descontento con este estado de cosas: dijo que el problema aún no se había resuelto. 

Además, los astrónomos han observado recientemente una gran nube de materia alrededor de cada galaxia, actuando sobre las estrellas por atracción gravitacional y refractando la luz.

Esta enorme nube no se puede ver directamente y no se sabe de qué está hecha. Obviamente hay algo ahí, pero los científicos aún no saben qué es exactamente. Hoy en día, esto que no son fotones y átomos se llama materia oscura.

Hay muchas cosas en el mundo con las que los físicos nunca soñaron. Pero el «modelo estándar» sigue siendo el mejor que tenemos para el mundo de los objetos. Aparte de la materia oscura y la gravedad, el «Modelo estándar de partículas elementales» describe bien todos los aspectos del mundo percibido.

Los ministros de ciencia han propuesto teorías alternativas, pero todas han sido refutadas experimentalmente. Quizás los científicos aprenderán a mirar el «modelo estándar» desde un ángulo que revelará su gracia y simplicidad ocultas.

Hoy se sabe que la materia es un puñado de partículas elementales que oscilan continuamente entre la existencia y la no existencia, parpadean en el espacio, incluso cuando parece que está vacío, y se unen, creando el infinito.

Etude 5. Gravedad cuántica de bucle

Dado que la relatividad general contradice la teoría de la mecánica cuántica, un grupo de físicos teóricos de diferentes partes del mundo está tratando de unirlos . La línea de investigación en la que trabajan se llama gravedad cuántica de bucles. Desde la década de 1980, sus partidarios se han esforzado por comprender el espacio, el tiempo y la materia un poco mejor de lo que permiten las teorías físicas anteriores.

Un estudiante que escucha conferencias sobre la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica se ve obligado a imaginar el mundo como un espacio continuo curvo, o plano, con cuantos de energía saltando.

La teoría de la gravedad cuántica de bucles establece que el espacio flexible, dinámico y de flexión está formado por diminutos «granos de arena «: cuantos de gravedad son miles de millones de veces más pequeños que el núcleo atómico más pequeño. Los cuantos están entrelazados como anillos de cota de malla, por lo que se llamaron bucles.

La teoría describe un Universo en el que los cuantos de espacio y materia interactúan interminablemente entre sí. En consecuencia, el tiempo, la secuencia de momentos que nos son familiares, no existe. Esto es solo una ilusión, nuestra percepción de procesos que ocurren a nivel de partículas elementales.

Si la humanidad tuviera una lupa poderosa, mostraría la granulosidad o celularidad del espacio:

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Si bien los científicos no pueden probar la teoría de la gravedad cuántica de bucles empíricamente, han planteado varias hipótesis.

Uno de ellos está asociado con los agujeros negros. Según la teoría, la materia de las estrellas desaparecidas no podría simplemente encogerse hasta un punto, sino que debería haberse condensado tanto como fuera posible al estado de una estrella de Planck .

Si el Sol se transformara en un agujero negro, su diámetro sería de aproximadamente 1,5 km. En su interior, la sustancia de la estrella se reduciría a un Planckiano, del tamaño de un átomo, y luego comenzaría a expandirse nuevamente, lo que provocaría la explosión de un agujero negro. Un observador imaginario montado en una estrella de Planck vería este proceso como un rebote a una velocidad tremenda. Pero por la misma razón que el tiempo vuela más rápido en las montañas que cerca del mar, lo que el «jinete» ve muy rápido dentro del agujero negro, desde el exterior da la impresión de increíblemente largo. Por lo tanto, para nosotros, los agujeros negros no cambian durante siglos. Según los físicos, los agujeros negros son estrellas en expansión que la humanidad observa en cámara aparentemente muy lenta.

Quizás algunos de los agujeros negros formados en los primeros momentos del Universo ahora estén explotando. Si es así, los físicos registrarán su expansión. De lo contrario, significará que había pocos agujeros negros en el universo original. De una forma u otra, la búsqueda de señales ya ha comenzado. 

Otro supuesto de la teoría del bucle se refiere al origen de nuestro mundo: el Big Bang podría ser en realidad el Big Bounce . Quizás el Universo actual se formó a partir del anterior, el que se redujo al volumen de una nuez, y luego rebotó y comenzó a expandirse nuevamente. En un momento de rebote, el espacio y el tiempo desaparecieron, y el mundo se desdibujó en una nube de probabilidades. Entonces, el esquema del desarrollo del universo se ve así:

Etude 6. Calor, probabilidad y tiempo

A la par con las teorías descritas anteriormente sobre los componentes básicos del mundo, existe otra capa impresionante de la física: la termodinámica. Su aparición llevó a la pregunta: ¿qué es el calor? Hasta la década de 1850, los físicos pensaban que el calor era un líquido (lo llamaban «calórico»). Pero el austriaco Ludwig Boltzmann y el británico James Maxwell adivinaron que no hay calórico en la materia caliente: los átomos simplemente se mueven más rápido en ella . Por supuesto, se mueven todo el tiempo, pero en el frío se mueven más lentamente.

Como saben, el calor se transfiere de sustancias calientes a frías. ¿Por qué no de otra manera? Sucede por accidente. Boltzmann descubrió que es más probable que un átomo rápido de un cuerpo caliente, golpeando uno lento y frío, comparta su energía con él que una partícula de uno frío con una partícula de uno caliente. La energía generalmente se distribuye de manera uniforme. Un cuerpo caliente puede calentarse por el contacto con un cuerpo de hielo, pero esto es poco probable.

La probabilidad asociada con el conocimiento limitado se aplica a la mayoría de los objetos físicos: no sabemos todo sobre ellos, por lo que solo podemos intentar predecir.

Nuestra capacidad para predecir el comportamiento de una cuchara y un globo está limitada por el conjunto incompleto de propiedades con las que estamos en contacto y nuestra forma de interactuar con ellas. Los datos disponibles son insuficientes para predecir la trayectoria de vuelo de un globo desinflado después de que se desata la cuerda. Pero hay suficientes para predecir el calentamiento de una cuchara en agua caliente.

Aún no se sabe cómo se comporta el campo gravitacional cuando se calienta. En teoría, el espacio y el tiempo deberían fluctuar, pero los físicos aún no han podido describir correctamente la fluctuación del tiempo. Estas preguntas dan lugar a una aún más fundamental: ¿qué es el «ahora» y podemos hablar del fluir del tiempo? 

Según el autor del libro, en la escala del Universo, no existe el «ahora» .

Einstein le escribió a un pariente de un amigo fallecido: “Michele dejó este extraño mundo un poco antes que yo. Esto no significa nada. Las personas como nosotros que creemos en la física saben que la distinción entre pasado, presente y futuro no es más que una ilusión «.

“Debido a la limitación de nuestra conciencia, percibimos solo una imagen borrosa del mundo y vivimos en el tiempo”, explica Rovelli. 

Pero entonces, ¿por qué la gente siente el paso del tiempo y divide los eventos en «fue», «es» y «será»? El misterio físico que subyace a la maraña de la relatividad general, la mecánica cuántica y la termodinámica está esperando ser descifrado: todavía no existe una teoría que conecte los tres conocimientos fundamentales. Los cálculos de Stephen Hawking, que muestran que los agujeros negros irradian calor constantemente, proporcionan solo una pequeña pista. En los que los físicos ya han observado, el calor es débil, pero los cálculos de Hawking han sido verificados y generalmente aceptados. El autor confía en que la respuesta sobre la naturaleza del tiempo se basará en la calidez. 

Estudio 7. La humanidad como parte del mundo

¿Qué papel se asigna a las personas en el mundo descrito por la física moderna? También estamos hechos de átomos. Somos parte de la naturaleza, ella es nuestro hogar. Y en nuestra naturaleza está el deseo de aprender más . Al mismo tiempo, también estamos aprendiendo a cambiar gradualmente nuestro sistema de conceptos.

Nuestra exploración del mundo es como encontrar un antílope. Los cazadores estudian las huellas del animal, indicios de algo que no se puede ver directamente. Entienden que pueden estar equivocados y están listos para cambiar de dirección si aparece un nuevo camino. Pero también saben que si lo intentan, encontrarán lo que buscan. El conocimiento es valioso: al atrapar un antílope, la gente puede comer.

El autor del libro predice en un futuro indefinido la muerte de nuestra civilización -como la vivida por los mayas o minoicos- o la completa extinción de la especie homo sapiens. En su opinión, no tenemos ninguna posibilidad de sobrevivir, porque estamos trayendo destrucción al planeta, nuestro hogar. 

Sin embargo, conocedor de la naturaleza y la vida, Rovelli continúa buscando respuestas a preguntas científicas. Está hipnotizado por los secretos y la belleza del mundo, brillando en la frontera entre lo conocido y lo desconocido: 

“Nacemos y morimos, como nacen y mueren las estrellas. La vida es preciosa porque es fugaz «.

10 mejores ideas

1. Las teorías más importantes de los últimos años para comprender la estructura del mundo son la relatividad general, la mecánica cuántica, el modelo estándar de partículas elementales y la termodinámica.

2. Los físicos teóricos están tratando de combinar la teoría conflictiva de la relatividad general y la mecánica cuántica utilizando la gravedad cuántica de bucles. Todavía no existe una teoría capaz de agregar lógicamente la termodinámica a este conocimiento.

3. El concepto del Universo ha cambiado a lo largo de los milenios desde el primitivo «debajo de la Tierra – sobre el cielo» a un espacio flexible sin fin con miles de galaxias , que incluyen muchos sistemas como nuestro sistema solar. 

4. Según la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, el tiempo y el espacio son curvos. El espacio se expande y se balancea constantemente y, a veces, se colapsa en un agujero negro. Casi 15 mil millones de años después del Big Bang, el universo se expandió desde una pequeña nube hasta su tamaño actual.

5. La teoría de la mecánica cuántica establece que la energía consta de porciones o «ladrillos»: cuantos. Solo puede adquirir ciertos significados. Los electrones dentro de un átomo saltan aleatoriamente de una órbita a otra y no tienen una posición definida; se materializan solo cuando interactúan con algo.

6. El modelo estándar de partículas elementales describe la realidad material como formada por fotones, electrones, quarks, gluones y otros elementos diminutos. Surgen y desaparecen, parpadean en el espacio, pero el vacío no existe. El modelo estándar lo explica todo bien excepto la materia oscura y la gravedad.

7. La gravedad cuántica de bucles afirma que el espacio flexible, dinámico y de flexión consta de cuantos, que son muchas veces más pequeños que un núcleo atómico, entrelazados entre sí como anillos de cota de malla e interactúan constantemente.

8. La teoría de la gravedad cuántica de bucles nos permitió construir dos hipótesis importantes : sobre las estrellas de Planck, que colapsaron en agujeros negros y ahora se están expandiendo, y sobre el Gran Rebote, que resultó en nuestro Universo.

9. El tiempo es solo una ilusión : el presente común a todo el Universo no existe. A nivel de la física, el futuro se diferencia del pasado en la distribución del calor. 

10. Respuestas a preguntas como «¿Hay otros universos además del nuestro?», «¿Cómo se comporta un campo gravitacional caliente?» y «¿Cuál es la verdadera naturaleza del tiempo?» todavía no lo es.

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