domingo 23 de septiembre
Interesante

Adelanto de “Astrofísica para gente apurada”, de Neil deGrasse Tyson


Si estás muy ocupado como para tomar clases o leer libros especializados que te permitan entender nuestro universo, pero aun así buscas una breve y valiosa introducción a la materia, en Astrofísica para gente apurada, Neil deGrasse Tyson sintetiza los principales conceptos y descubrimientos que impulsan nuestra comprensión moderna del universo, de manera que en doce breves lecciones podrás convertirte en un conocedor de la materia y, mejor aún, tendrás ganas de aprender más.

A continuación un fragmento, a modo de adelanto:

Así en la tierra como  en el cielo

Hasta que sir Isaac Newton escribió la ley de la gravitación universal, nadie tuvo motivos para asumir que las leyes de la física en casa serían iguales que en el resto del universo. Había cosas terrestres ocurriendo en la Tierra y cosas celestes ocurriendo en los cielos. De acuerdo con las enseñanzas cristianas de aquellos tiempos, Dios controlaba los cielos, haciéndolos incognoscibles para nuestras débiles mentes mortales. Cuando Newton superó esta barrera filosófica, al hacer todo movimiento comprensible y predecible, algunos teólogos lo criticaron por no haberle dejado al Creador nada por hacer. Newton había descubierto que la fuerza de gravedad que arranca las manzanas maduras de los árboles también guía en sus trayectorias curvas a los objetos que son lanzados y dirige a la Luna en su órbita alrededor de la Tierra. La ley de la gravedad de Newton también guía planetas, asteroides y cometas en sus órbitas alrededor del Sol, y mantiene a centenares astrofísica para gente apurada de miles de millones de estrellas en órbita dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Esta universalidad de las leyes físicas impulsa descubrimientos científicos como ninguna otra cosa. Y la gravedad fue solo el principio. Imagina la emoción entre los astrónomos del siglo xix cuando los prismas de laboratorio, que descomponen los haces de luz en un espectro de colores, fueron girados por primera vez hacia el Sol. Los espectros no solo son hermosos, sino que contienen un montón de información sobre el objeto emisor de luz, incluyendo su temperatura y su composición. Los elementos químicos se revelan a sí mismos por sus singulares patrones de bandas claras u oscuras que atraviesan el espectro. Para deleite y asombro de la gente, las firmas químicas del Sol eran idénticas a las del laboratorio.

El prisma, ahora ya no una herramienta exclusiva de los químicos, mostró que a pesar de lo distinto que el Sol es de la Tierra en tamaño, masa, temperatura, ubicación y apariencia, ambos contienen los mismos elementos: hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno, calcio, hierro y demás. Pero aún más importante que nuestra lista de ingredientes en común fue el reconocimiento de que las leyes de la física que prescriben la formación de estas firmas espectrales del Sol eran las mismas leyes que operaban en la Tierra, a casi 150 millones de kilómetros de distancia.

Este concepto de universalidad fue tan fértil que se aplicó exitosamente en sentido opuesto. Algunos análisis más detallados sobre el espectro del Sol revelaron la firma de un elemento que no tenía contraparte conocida en la Tierra. Al pertenecer al Sol, la nueva sustancia recibió un nombre derivado de la palabra griega helios (el Sol), y fue más tarde descubierta en el laboratorio. Así, el helio se convirtió en el primer y único elemento de la tabla periódica en ser descubierto fuera de la Tierra. Sí, las leyes de la física funcionan en el sistema solar, pero ¿funcionan en toda la galaxia?, ¿en todo el universo?, ¿a través del tiempo mismo? Las leyes se pusieron a prueba paso a paso. Algunas estrellas cercanas también revelaron químicos conocidos. Algunas estrellas binarias distantes, ligadas en órbita mutua, parecen saber todo sobre las leyes de gravedad de Newton. Por la misma razón lo saben las galaxias binarias.

De la misma forma que los sedimentos estratificados del geólogo, que sirven como una línea del tiempo de eventos terrestres, conforme más lejos vemos en el espacio, más atrás vemos en el tiempo. Los espectros de los objetos más lejanos del universo muestran las mismas firmas químicas que vemos en el espacio y tiempo cercanos. Es verdad, los elementos pesados   eran menos abundantes entonces —se producen principalmente en generaciones posteriores de estrellas que explotan—, pero las leyes que describen los procesos atómicos y moleculares que crearon estas firmas espectrales siguen intactas. En particular, una cantidad llamada constante de estructura fina, que controla las huellas digitales básicas de cada elemento, debe haber permanecido inalterada durante miles de millones de años.

Por supuesto, no todas las cosas y fenómenos en el cosmos tienen contrapartes en la Tierra. Probablemente tú nunca hayas caminado por una brillante nube de plasma de un millón de grados Kelvin, y podría asegurar que nunca te has encontrado con un agujero negro en la calle. Lo que importa es la universalidad de las leyes físicas que los describen. Cuando se aplicó por primera vez el análisis espectral a la luz emitida por las nebulosas interestelares, nuevamente se descubrió una firma que no tenía contraparte en la Tierra. En aquellos tiempos, la tabla periódica de los elementos no tenía un espacio obvio para colocar un nuevo elemento. En respuesta, los astrofísicos inventaron el nombre nebulio para reservar su lugar hasta que pudieran averiguar más. Resulta que en el espacio las nebulosas gaseosas están tan enrarecidas que los átomos pasan largas distancias sin colisionar. Bajo estas condiciones, los electrones pueden hacer cosas dentro de los átomos nunca antes vistas en los laboratorios de la Tierra. El nebulio fue simplemente la firma del oxígeno ordinario haciendo cosas extraordinarias.

Esta universalidad de las leyes físicas nos dice que si aterrizamos en otro planeta con una floreciente civilización extraterrestre, ellos estarán sujetos a las mismas leyes que hemos descubierto y probado aquí en la Tierra, incluso si los extraterrestres tienen convicciones sociales y políticas diferentes. Asimismo, si quisieras hablar con los extraterrestres, puedes estar seguro de que no hablarían inglés, francés ni mandarín. Tampoco sabrías si estrechar sus manos —si es que, de hecho, su extremidad extendida fuera una mano— sería considerado un acto de guerra o de paz. Tu única esperanza sería encontrar una manera de comunicarte usando el lenguaje de la ciencia. Esto se intentó en la década de 1970 con las Pioneer 10 y 11, y las Voyager 1 y 2. Las cuatro naves espaciales contaban con suficiente energía, tras emplear la asistencia gravitatoria de los planetas gigantes, para escapar por completo del sistema solar.

La Pioneer llevaba una placa grabada en oro que mostraba, en pictogramas científicos,  la configuración de nuestro sistema solar, nuestra ubicación en la Vía Láctea, así como la estructura del átomo de hidrógeno. La Voyager fue más allá y también incluyó un disco de oro con varios sonidos de la Madre Tierra, incluyendo el latido del corazón humano, cantos de ballenas y selecciones musicales de todo el mundo, como obras de Beethoven y Chuck Berry. Si bien esto humanizó el mensaje, no nos queda claro si los oídos extraterrestres tendrían idea de lo que estaban oyendo (asumiendo, por supuesto, que tienen oídos). Mi parodia favorita de este gesto se dio en el programa de televisión de nbc Saturday Night Live, poco después del lanzamiento de la Voyager. En ella mostraban una respuesta escrita de los extraterrestres que recuperaron la nave espacial. La nota únicamente decía: “Envíen más Chuck Berry”.

La ciencia no solo florece gracias a la universalidad de las leyes físicas, sino también gracias a la existencia y permanencia de constantes físicas. La constante de gravitación universal, conocida por la mayoría de los científicos como G, proporciona a la ecuación de la gravedad de Newton la medida de cuán potente será la fuerza. Esta cantidad ha sido implícitamente puesta a prueba durante eones. Si haces las cuentas, puedes determinar que la luminosidad de una estrella depende estrechamente de la G. En otras palabras, si la G hubiera sido incluso ligeramente distinta en el pasado, la producción de energía del Sol habría sido mucho más variable de lo que indican los registros biológicos, climatológicos o geológicos. Tal es la uniformidad de nuestro universo.

Entre todas las constantes, la velocidad de la luz es la más famosa. No importa lo rápido que vayas, nunca superarás a un rayo de luz. ¿Por qué no? Ningún experimento jamás realizado ha dado a conocer un objeto de cualquier forma que alcance la velocidad de la luz. Las leyes de la física probadas predicen y explican este hecho. Sé que estas declaraciones suenan intolerantes. Algunas de las proclamaciones más tontas del pasado, basadas en la ciencia, han subestimado el ingenio de inventores e ingenieros: “Nunca volaremos”, “Volar nunca será comercialmente viable”, “Nunca dividiremos el átomo”, “Nunca romperemos la barrera del sonido”, “Nunca iremos a la Luna”. Lo que tienen en común es que ninguna ley reconocida de la física se interpuso en su camino.

La afirmación “Nunca aventajaremos a un haz de luz” es una predicción cualitativamente diferente. Surge de principios físicos básicos comprobados. En las   señales de tráfico de los viajeros interestelares del futuro justificadamente se leerá:

la velocidad de la luz: no es solo una buena idea. es la ley.

A diferencia de ser detenido por ir a exceso de velocidad en las autopistas de la Tierra, lo bueno de las leyes de la física es que no necesitan de las fuerzas del orden para que se obedezcan, aunque alguna vez sí tuve una camiseta ñoña que decía: “obedece la gravedad”. Todas las mediciones sugieren que las constantes fundamentales conocidas y las leyes físicas que hacen referencia a ellas no dependen del tiempo ni de la ubicación. Son verdaderamente constantes y universales.

Muchos fenómenos naturales manifiestan múltiples leyes físicas que operan al mismo tiempo. Este hecho a menudo complica el análisis y, en la mayoría de los casos, requiere computación de alto rendimiento para calcular lo que está sucediendo, y para dar seguimiento a parámetros importantes. Cuando el cometa Shoemaker-Levy 9 se sumergió en la atmósfera rica en gas de Júpiter en julio de 1994, y luego explotó, el modelo de computación más preciso combinó las leyes de la mecánica de fluidos, termodinámica, cinemática y gravitación. El clima y el tiempo atmosférico representan otros importantes ejemplos de fenómenos complicados (y difíciles de predecir). Pero las leyes básicas que los rigen aún operan. La Gran Mancha Roja de Júpiter, un furioso anticiclón que ha estado soplando durante al menos 350 años, es impulsado por procesos físicos idénticos a los que generan tormentas en la Tierra y en otras partes del sistema solar.

Otro tipo de verdades universales son las leyes de conservación, en las que la cantidad de una magnitud medida permanece sin cambios pase lo que pase. Las tres más importantes son la conservación de la masa y la energía, la conservación del momento lineal y del momento angular, y la conservación de la carga eléctrica. Estas leyes son evidentes en la Tierra y en todas partes en que hemos decidido revisar, desde el campo de la física de partículas hasta la estructura a gran escala del universo.

A pesar del alardeo, no todo en el paraíso es perfecto. Sucede que no podemos ver, tocar o probar la fuente de 80% de la gravedad que medimos en el universo. Esta misteriosa materia oscura, que permanece desapercibida excepto por su atracción gravitacional en la materia que vemos, puede estar compuesta de partículas exóticas que todavía tenemos que descubrir o identificar. Una minoría de astrofísicos, sin embargo, no está convencida y ha sugerido que no hay materia oscura, solo tenemos que modificar la ley de la gravedad de Newton. Añade unos cuantos componentes a las ecuaciones y todo estará bien.

Tal vez algún día descubramos que la gravedad de Newton ciertamente requiere un ajuste. No habría problema. Ya ocurrió una vez. La teoría general de la relatividad de Einstein de 1916 expandió los principios de gravedad de Newton de una manera que también aplicaba a los objetos de masa extremadamente grande. La ley de la gravedad de Newton se viene abajo en este campo expandido que era desconocido para él. La lección es que nuestra confianza fluye a través de la gama de condiciones sobre las que una  ley ha  sido probada y  verificada. Entre más amplio sea ese rango, más potente y poderosa se vuelve la ley para describir el cosmos. Para la gravedad ordinaria, la ley de Newton funciona muy bien. Nos llevó a la Luna y nos trajo de vuelta a la Tierra sanos y salvos en 1969. Para los agujeros negros y la estructura a gran escala del universo, necesitamos la relatividad general. Y si usas poca masa y velocidades bajas en las ecuaciones de Einstein, literalmente (o más bien, matemáticamente) se convierten en las ecuaciones de Newton, todas buenas razones para tener confianza en nuestro entendimiento de todo lo que aseguramos entender.

Para el  científico, la universalidad de las leyes físicas hace del cosmos un lugar increíblemente sencillo. En comparación, la naturaleza humana —dominio de los psicólogos— es infinitamente más intimidante. En Estados Unidos, los consejos escolares locales votan sobre los temas que se enseñarán en las aulas. En algunos casos, los votos se emiten de acuerdo con los caprichos de las tendencias culturales, políticas o religiosas. En el mundo, los diversos sistemas de creencias conducen a diferencias que no siempre se resuelven pacíficamente. El poder y la belleza de las leyes físicas es que se aplican en todas partes, independientemente de si eliges creer en ellas o no. En otras palabras, después de las leyes de la física, lo demás es una opinión.

No es que los científicos no discutamos. Lo hacemos. Mucho. Pero cuando lo hacemos, solemos expresar opiniones sobre la interpretación de datos insuficientes o descuidados en la vanguardia de nuestro conocimiento. Dondequiera y siempre que una ley física pueda citarse en una discusión, el debate será breve: “No, tu idea de una máquina de movimiento perpetuo nunca funcionará; viola leyes probadas de la termodinámica”. “No, no puedes construir una máquina del tiempo que te permita regresar y matar a tu madre antes de que nazcas; viola las leyes de causalidad”. “Y sin violar las leyes de momentum, no puedes levitar y flotar sobre el suelo, independientemente de si estás sentado o no en posición de loto”. El conocimiento de las leyes físicas puede, en algunos casos, darte la confianza para confrontar gente grosera. Hace unos años estaba tomando un chocolate caliente en una confitería en Pasadena, California. Lo ordené con crema batida, por supuesto. Cuando llegó a la mesa, no vi rastro alguno de ella. Después de decirle al mozo que mi chocolate no tenía crema batida, dijo que no podía verla porque se había hundido hasta el fondo. Pero la crema batida es de baja densidad y flota en todos los líquidos que consumimos los humanos. Así que ofrecí al mozo dos posibles explicaciones: o alguien olvidó agregar la crema batida a mi chocolate caliente o las leyes universales de la física eran diferentes en su confitería. Poco convencido y desafiante, trajo una cucharada de crema batida para demostrar su afirmación. Tras moverse de arriba abajo una o dos veces, la crema batida ascendió a la parte superior, manteniéndose a flote. ¿Qué mejor prueba de la universalidad de las leyes físicas se necesita?

Astrofísica para gente apurada
Quién no ha visto el cielo estrellado y se ha preguntado: “¿Qué significa todo esto?”, “¿Cómo funciona el universo?”, “¿Cuál es mi lugar en el cosmos?”. Doce breves lecciones para entender nuestro universo
Publicada por: Ediciones Paidós
Fecha de publicación: 02/01/2018
Edición: 1a
ISBN: 978-950-12-9658-7
Disponible en:Libro de bolsillo

 

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