En este breve libro, Carlo Rovelli expone grandes logros de la física, narrando la evolución de las ideas y el trabajo de los científicos que hicieron posible estos avances. Rovelli enfatiza que nuestra comprensión del mundo aún no está completa. Aunque estas teorías permiten predecir con gran precisión fenómenos observados, existen contradicciones, como las que se encuentran entre la relatividad general y la mecánica cuántica.
Menciona el modelo estándar, una teoría que describe los componentes mínimos de la materia y las fuerzas que la rigen, la cual, a pesar de describir bien los experimentos, deja insatisfechos a los físicos debido a la complejidad de sus ecuaciones.
Mi lección favorita es la sexta: la probabilidad, el tiempo y el calor de los agujeros negros. Me encanta como expone las ideas de la termodinámica, cuestionamientos sobre el tiempo, y nuestra percepción de él.
Vamos a empezar en orden. Con la teoría científica más hermosa como la describió el físico ruso Lev Landau.
La Relatividad General
Siguiendo el trabajo de Faraday y Maxwell, Einstein propuso que la gravedad, al igual que la electricidad, se transporta a través de un campo, el “campo gravitatorio”. Su gran idea fue identificar este campo con el propio espacio. Las ecuaciones de Einstein explican cómo se curva el espacio alrededor de una estrella. Haciendo que los planetas sigan trayectorias curvas, pero no solo los planetas, la luz también se curva al pasar cerca a una estrella. Asimismo explican porque el tiempo transcurre más rápido si estás lejos de la tierra pero más despacio si estás cerca a ella.
Según esta teoría, el espacio no puede mantenerse inmóvil y debe estar en expansión, lo que lleva a la idea del Big Bang, un universo joven, pequeño y caliente.
Esta teoría ha sido comprobada cientos de veces, logrando explicar con éxito fenómenos astrofísicos.
Mecánica cuántica
Se considera 1900 como el año del nacimiento de la mecánica cuántica. Max Plank pensó en la energía como si estuviera hecha de partículas. Toda una revolución para su época puesto que la teoría más aceptada hasta ese momento veía la energía como un continuo, indivisible en partes pequeñas.
Einstein cultivó la idea de Max Plank y entendió el fenómeno de la fluorescencia considerando que la energía se distribuye en partículas.
Niels Bohr continúa su desarrollo, y postula que los electrones orbitan el átomo en niveles de energía específicos, y pueden saltar entre esos niveles de energía emitiendo o absorbiendo un fotón.
En 1925 Werner Heisenberg, cambió completamente la visión clásica del universo demostrando que no es posible determinar con absoluta precisión la velocidad y la dirección de una partícula. Por el contrario solo se puede hacer predicciones sobre la probabilidad de encontrar esa partícula en cierto estado.
La arquitectura del universo
En esta sección Rovelli expone cómo el deseo humano de entender el lugar que habitamos nos ha ayudado a darle forma al universo, y cómo esa forma ha estado cambiando cada vez que la chispa del conocimiento se ilumina.
Pensadores antiguos como Anaximandro, expandieron los límites del cielo, llevando a cabo la primera revolución científica, sosteniendo que la tierra es una roca que flota y el cielo está tanto arriba como abajo.
Pitágoras y Aristoteles argumentaron que la tierra debía ser una esfera.
Durante el año 1500 Nicolás Copérnico mostró que la tierra no está en el centro. Al igual que los otros planetas del sistema solar la Tierra gira alrededor de sí misma y del sol.
Después comprendimos que nuestro sistema solar es uno entre miles más, y nuestra Galaxia es solo un grano de polvo en el universo, rodeada por miles de millones de galaxias.
Imagen de campo profundo HUDF del Hubble (NASA/STScI).
Cada punto en esta imagen es una galaxia, cada una contiene miles de millones de estrellas.
Particulas
Hoy sabemos que la luz está hecha por fotones y las cosas que nos rodean como los muebles de la casa, están constituidas por átomos. Los átomos a su vez están hechos de protones, neutrones y electrones.
Los protones y los neutrones se pueden descomponer en otras partículas: conocidas como los quarks, estos se mantienen pegados a los protones y los neutrones gracias a otra partícula bautizada como gluon.
Todo lo que vemos a nuestro alrededor, y aunque realmente no lo podemos ver está hecho de electrones, fotones, quarks y neutrinos.
Los físicos llaman a las ecuaciones que describen estas partículas el modelo estándar , y aunque funcionan muy bien para entender todo lo que los físicos ven en los aceleradores de partículas, no logra convencer a todos completamente; la complejidad de las ecuaciones está muy lejos de la simplicidad de la Relatividad General y por otro lado no logra explicar lo que los físicos han llamado “Materia Oscura” que observan en todas las galaxias.
Granos de espacio
La relatividad general y la mecánica cuántica describen dos mundos completamente diferentes, mientras que la primera ve el mundo como un espacio curvo y continuo, la segunda, entiende el mundo hecho de partículas diminutas.
Los científicos intentan unir ambas teorías. La historia muestra que la síntesis de las teorías conlleva a comprender realmente el universo:
Newton, llegó a la teoría de la gravitación, uniendo las parábolas de Galileo, y las elipses de Kepler. Einstein llegó a la teoría de la relatividad general tratando de solucionar un conflicto entre la teoría electromagnética y la gravitación newtoniana.
Es así como los físicos han planteado la teoría cuántica de bucles. En este planteamiento el espacio no es continuo, está formado por átomos de espacio. Logrando unir la mecánica cuántica y la relatividad general.
Esta teoría es netamente matemática, los experimentos necesarios para corroborarla son difíciles de llevar a cabo por ahora.
Una implicación de esta teoría es que la variable tiempo no aparece explícitamente en las ecuaciones, no existe un antes y un después. En el mundo de los átomos del espacio cada átomo se mueve con independencia de todo a su alrededor, y son las interacciones entre los átomos las que generan cambio. Si esto fuera cierto, las consecuencias serían inmensas para nuestro entendimiento del tiempo.
Hablemos un poco más sobre el tiempo en la siguiente lección.
La probabilidad, el tiempo y el calor de los agujeros negros.
Para hablar del tiempo primero necesitamos entender que es el calor.
A finales del siglo XIX Maxwell y Boltzman encendieron las luces para comprenderlo: los átomos de una sustancia caliente se mueven más rápido comparados a los átomos de una sustancia fría.
Si pones una cuchara en un un contenedor que contenga un líquido caliente, la cuchara se va a calentar. La experiencia muestra que siempre el calor fluye de los objetos calientes a los fríos.
¿Por que?, sabemos que no es causado por una ley absoluta, por el contrario depende de las probabilidades.
Hay mayor probabilidad de que los átomos que se mueven más rápido golpeen a los átomos que se mueven más despacio.
No tenemos conocimiento del comportamiento individual de los átomos en una sustancia, pero sí podemos calcular la probabilidad para describir el comportamiento promedio de todas las partículas en una sustancia.
Vale la pena decir, que tanto en mecánica cuántica como en la ciencia del calor usamos probabilidades para entender la naturaleza pero las razones son diferentes. En la termodinámica o la ciencia del calor, conocemos que tan fría o caliente está una sustancia mientras que ignoramos lo que pasa con los átomos que la componen. El estado del sistema es sólo descrito por la interacción de todos los átomos.
En mecánica cuántica, el sistema es probabilístico por naturaleza, incluso si conocemos con precisión todos los elementos que componen el sistema, solo es posible predecir probabilidades acerca de su estado futuro.
¿Y que tiene que ver todo esto con el tiempo?, el futuro sólo se diferencia del pasado porque hay flujo de calor. Calor en cualquier forma, por ejemplo un péndulo podría oscilar indefinidamente si no existiera fricción que parara ese movimiento. En los movimientos planetarios, el flujo del calor es mínimo y los movimientos de los planetas son los mismos en millones de años. El pasado es igual que el futuro.
¿Y si hablamos del presente?, no hay nada en la física que corresponda a la variable “en este momento”, así como el “aquí” es subjetivo: depende si la persona que dice aquí, está en el banco o en la cocina. “En este momento” también depende de quien lo pronuncia. Suena loco pensar esto, pero, a velocidades muy altas, mucho más que las alcanzadas por los aviones más rápidos, sabemos con mucha precisión que el tiempo depende de quien mira, es decir el antes y el después de un fenómeno, no es el mismo para todos los observadores.
Hay mucho que se escapa a nuestros sentidos, no podemos ver y sentir la naturaleza en su totalidad, así que nuestra noción de presente está distorsionada por nuestras propias limitaciones.
Nosotros:
Nuestra especie curiosa por naturaleza ha transitado un camino en este planeta de miles de años, insignificante, comparado con la historia del planeta y más aún del universo, hemos comprendido mucho sobre la naturaleza y aún queda mucho por comprender. ¿Tendremos el tiempo suficiente para continuar averiguandolo?, No es seguro, sabemos que todos nuestros primos como los neandertales se extinguieron, eso nos da pistas sobre la brevedad de nuestra especie. Mientras tanto, seguimos curiosos y aventureros, no solo del exterior sino de nuestro interior, y a pesar de lo efímero de nuestras vidas y tal vez de nuestra civilización estamos voraces de más.
