¿Preguntas de ciencia? Asimov responde. (IV)

Alchemist_ dijo:

Hola taringuer@s. Bienvenidos a mi nuevo post.
Ésta es la cuarta parte de la serie de preguntas y respuestas de ciencia de Asimov. A la primera parte le fue más que bien con mas de 2100 puntos, así que espero que ésta también les guste. Empezaremos desde la pregunta 41 que es en donde me quedé en el último post, y terminaré cuando Taringa ya no me deje escribir más por el excedente de caracteres.

Hasta ahora vimos:

1- ¿Qué es el método científico?
2- ¿Quién fue, en su opinión, el científico más grande que jamás existió?
3- ¿Por qué dos o más científicos, ignorantes del trabajo de los otros, dan a menudo simultáneamente con la misma teoría?
4- ¿Qué dice el teorema de Gödel? ¿Demuestra que la verdad es inalcanzable?
5- ¿Qué diferencia hay entre los números ordinarios y los números binarios y cuáles son las ventajas de cada uno?
6- ¿Qué son los números imaginarios?
7- ¿Qué son los números primos y por qué les interesan a los matemáticos?
8- ¿Qué ocurriría si una fuerza irresistible se enfrentase con un cuerpo inamovible?
9- ¿Cuántas partículas hay en el universo?
10- ¿De dónde vino la sustancia del universo? ¿Qué hay más allá del borde del universo?
11- ¿Por qué se habla de la "baja temperatura del espacio"? ¿Cómo puede tener el espacio vacío una temperatura?
12- ¿Qué es el polvo cósmico y de dónde viene?
13- ¿Qué son los pulsares?
14- Se dice que un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pesa miles de millones de toneladas. ¿Cómo es posible?
15- ¿Qué es un agujero negro?
16- ¿Qué temperatura puede alcanzar una estrella?
17- ¿Hasta dónde puede llegar el proceso de fusión dentro de una estrella?
18- ¿Qué ocurre con toda la energía emitida por las estrellas?
19- ¿Qué es el viento solar?
20- ¿Hasta cuándo podrá mantener el Sol la vida en la Tierra?
21- Si la temperatura de la superficie solar es tan alta que está al blanco, ¿por qué las manchas solares son negras? Para ser negras tendrían que ser frías, y ¿cómo puede haber algo frío en el Sol?
22- ¿Por qué todos los planetas ocupan aproximadamente el mismo plano orbital?
23- ¿En qué difiere Plutón de todos los demás planetas?
24- ¿Por qué los cometas tienen una cola?
25- ¿Por qué la Luna muestra siempre la misma cara hacia la Tierra?
26- ¿Qué son esas concentraciones de masa que se han descubierto en la Luna?
27- Ahora que ya hemos alunizado seis veces en nuestro satélite, ¿qué hemos averiguado acerca de él?
28- ¿Hay vida en Marte?
29- Supongamos que hay vida en Marte. ¿Merece realmente la pena ir hasta allí sólo para verla?
30- ¿Cómo y cuándo se formaron los océanos?
31- Los océanos ¿se están haciendo más salados? ¿Se harán algún día tan salados que maten toda la vida?
32- ¿Hay de verdad oro en el océano?
33- ¿Qué ocurriría si se derritieran los casquetes glaciares?
34- ¿De dónde vino el aire que respiramos?
35- ¿Qué es el efecto "invernadero"?
36- ¿Qué ocurre con las sondas planetarias después de pasar por un planeta? ¿A dónde van a parar?
37- ¿Cuál será el fin de la Tierra?
38- ¿Qué es un físico teórico y qué tipo de trabajo hace?
39- El tiempo, ¿es una ilusión o existe realmente? ¿Cómo habría que describirlo??
40- ¿Cuál es la unidad de tiempo más pequeña posible??




Ahora si, empecemos con las nuevas:

41- ¿Qué es la cuarta dimensión?

La palabra “dimensión” viene de un término latino que significa “medir completamente”. Vayamos, pues, con algunas medidas.

Supongamos que tienes una línea recta y que quieres marcar sobre ella un punto fijo X, de manera que cualquier otra persona pueda encontrarlo con sólo leer tu descripción. Para empezar, haces una señal en cualquier lugar de la línea y la llamas “cero”. Mides luego y compruebas que X está exactamente a dos pulgadas de la marca del cero. Si está a uno de los lados, convienes en llamar a esa distancia + 2; si está al otro, - 2.

El punto queda así localizado con un solo número, siempre que los demás acepten esas “convenciones”: dónde está la marca del cero, y qué lado es más y cuál menos.

Como para localizar un punto sobre una línea sólo se necesita un número, la línea, o cualquier trozo de ella es “unidimensional” (“un solo número para medir completamente”).

Pero supón que tienes una gran hoja de papel y que quieres localizar en ella un punto fijo X. Empiezas en la marca del cero y compruebas que está a cinco pulgadas... ¿pero en qué dirección? Lo que puedes hacer es descomponer la distancia en dos direcciones. Tres pulgadas al norte y cuatro al este. Sí llamamos al norte más y al sur menos y al este más y al oeste menos, podrás localizar el punto con dos números: +3, +4.

O también puedes decir que está a cinco pulgadas del cero y a un ángulo de 36,87º de la línea este-oeste. De nuevo dos números: 5 y 36,87º. Hagas lo que hagas, siempre necesitarás dos números para localizar un punto fijo en un plano. Un plano, o cualquier trozo de él, es bidimensional.

Supón ahora que lo que tienes es un espacio como el interior de una habitación. Un punto fijo X lo podrías localizar diciendo que está a cinco pulgadas, por ejemplo, al norte de la marca cero, dos pulgadas al éste de ella y 15 pulgadas por encima de ella. O también dando una distancia y dos ángulos. Hagas lo que hagas, siempre necesitarás tres números para localizar un punto fijo en el interior de una habitación (o en el interior del universo).

La habitación, o el universo, son, por tanto, tridimensionales.

Supongamos que hubiese un espacio de naturaleza tal, que se necesitaran cuatro números, o cinco, o dieciocho, para localizar un punto fijo en él. Sería un espacio cuatridimensional, o de cinco dimensiones, o de dieciocho dimensiones. Tales espacios no existen en el universo ordinario, pero los matemáticos sí pueden concebir estos “hiperespacios” y calcular qué propiedades tendrían las correspondientes figuras matemáticas. E incluso llegan a calcular las propiedades que se cumplirían para cualquier espacio dimensional: lo que se llama “geometría ndimensional”.

Pero, ¿y si lo que estamos manejando son puntos, no fijos, sino variables en el tiempo? Si queremos localizar la posición de un mosquito que está volando en una habitación, tendremos que dar los tres números que ya conocemos: norte-sur, este-oeste y arriba-abajo. Pero luego tendríamos que añadir un cuarto número que representara el tiempo, porque el mosquito habrá ocupado esa posición espacial sólo durante un instante, y ese instante hay que identificarlo.

Lo mismo vale para todo cuanto hay en el universo. Tenemos el espacio, que es tridimensional, y hay que añadir el tiempo para obtener un “espacio-tiempo” cuatridimensional. Pero dándole un tratamiento diferente que a las tres “dimensiones espaciales”. En ciertas ecuaciones clave en las que los símbolos de las tres dimensiones espaciales tienen signo positivo, el símbolo del tiempo lo lleva negativo.

Por tanto, no debemos decir que el tiempo es la cuarta dimensión. Es sólo una cuarta dimensión, diferente de las otras tres.

De yapa les dejo los videos de un documental de Michio Kaku (Un físico teórico muy conocido también).

42- ¿Qué quiere decir que el espacio está curvado?

Al leer, así, de pronto, que la teoría de la relatividad de Einstein habla del “espacio curvado”, uno quizá tiene todo derecho a sentirse desconcertado. El espacio vacío ¿cómo puede, ser curvo? ¿Cómo se puede doblar el vacío?

Para verlo, imaginemos que alguien observa, desde una nave espacial, un planeta cercano. El planeta está cubierto completamente por un profundo océano, de modo que es una esfera de superficie tan pulida como la de una bola de billar. Y supongamos también que por este océano planetario navega un velero a lo largo del ecuador, rumbo este.

Imaginemos ahora algo más. El planeta es completamente invisible para el observador. Lo único que ve es el velero. Al estudiar su trayectoria comprueba con sorpresa que el barco sigue un camino circular. Al final, regresará al punto de partida, habiendo descrito entonces una circunferencia completa.

Si el barco cambia de rumbo, ya no será una circunferencia perfecta. Pero por mucho que cambie de rumbo, por mucho que vire y retroceda, la trayectoria se acoplará perfectamente a la superficie de una esfera.

De todo ello el observador deducirá que en el centro de la esfera hay una fuerza gravitatoria que mantiene al barco atado a una superficie esférica invisible. O también podría deducir que el barco está confinado a una sección particular del espacio y que esa sección está curvada en forma de esfera. O digámoslo así: la elección está entre una fuerza y una geometría espacial.

Diréis que la situación es imaginaria, pero en realidad no lo es. La Tierra describe una elipse alrededor del Sol, como si navegara por una superficie curvada e invisible, y para explicar la elipse suponemos que entre el Sol y la Tierra hay una fuerza gravitatoria que mantiene a nuestro planeta en su órbita.

Pero suponed que en lugar de ello consideramos una geometría espacial. Para definirla podríamos mirar, no el espacio en sí, que es invisible, sino la manera en que los objetos se mueven en él. Si el espacio fuese “plano”, los objetos se moverían en líneas rectas; si fuese “curvo”, en líneas curvas.

Un objeto de masa y velocidad dadas, que se mueva muy alejado de cualquier otra masa, sigue de hecho una trayectoria casi recta. Al acercarse a otra masa, la trayectoria se hace cada vez más curva. La masa, al parecer, curva el espacio; cuanto mayor y más próxima, más acentuada será la curvatura.

Quizá parezca mucho más conveniente y natural hablar de la gravitación corno una fuerza, que no como una geometría espacial... hasta que se considera la luz. La luz no tiene masa, y según las viejas teorías, no debería verse afectada por la fuerza gravitatoria. Pero si la luz viaja por el espacio curvado, también debería curvarse su trayectoria. Conociendo la velocidad de la luz se puede calcular la deflexión de su trayectoria al pasar cerca de la ingente masa del Sol.

En 1919 se comprobó esta parte de la teoría de Einstein (anunciada tres años antes) durante un eclipse de Sol. Para ello se comparó la posición de las estrellas próximas al Sol con la posición registrada cuando el Sol no se hallaba en esa parte de los cielos. La teoría de Einstein quedó confirmada y desde entonces es más exacto hablar de la gravedad en función del espacio curvado, que no en función de una fuerza.

Sin embargo, justo es decir que ciertas medidas, muy delicadas, de la forma del Sol, realizadas en 1967, pusieron en duda la teoría de la gravitación de Einstein. Para ver lo que pasará ahora y en el futuro habrá que esperar.

43- En muchas novelas de ciencia ficción se leen cosas sobre "campos de fuerza" e "hiper-espacio". ¿Qué son? ¿Existen realmente?

Toda partícula subatómica da lugar a por lo menos una de cuatro clases distintas de influencias: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. Cualquiera de ellas se extiende desde su fuente de origen en la forma de un “campo” que, en teoría, permea el universo entero. Los campos de un gran número de partículas juntas pueden sumar sus influencias y crear un campo resultante muy intenso. El campo gravitatorio es, con mucho, el más débil de los cuatro, pero el del Sol (cuerpo compuesto por un número enorme de partículas) es muy fuerte, precisamente por la razón anterior.

Dos partículas colocadas dentro de un campo pueden moverse al encuentro una de otra o alejarse entre sí, según sea la naturaleza de las partículas y del campo; y además lo harán con una aceleración que depende de la distancia entre ambas. La interpretación que se suele dar a estas aceleraciones es que están producidas por “fuerzas”, con lo cual se habla de “campos de fuerza”. En este sentido, existen realmente.

Ahora bien, los campos de fuerza que conocemos tienen siempre por origen la materia y no existen en ausencia de ella, mientras que en los relatos de ciencia-ficción es a veces muy útil imaginar la construcción de intensos campos de fuerza sin materia. El novelista puede así convertir una sección del vacío en una barrera contra partículas y radiación. ¡Igual que si fuese una lámina de acero de seis pies de espesor! Tendría todas las fuerzas interatómicas, pero ninguno de los átomos que las crean. Esos “campos de fuerza libres de materias” son un recurso muy útil de la ciencia-ficción, pero sin base alguna en la ciencia actual.

El “hiper-espacio” es otro recurso útil de la ciencia-ficción: un artificio para burlar la barrera de la velocidad de la luz.

Para ver cómo funciona, pensad en una hoja de papel plana y muy grande, en la que hay dos puntos a seis pies uno de otro. Imaginad ahora un lentísimo caracol que sólo pueda caminar un pie por hora. Está claro que tardará seis horas en pasar de un punto al otro.

Pero suponed que cogemos ahora esa hoja de papel, que en esencia es bidimensional, y la doblamos por la tercera dimensión, poniendo casi en contacto los dos puntos. Si la distancia es ahora de sólo una décima de pulgada y si el caracol es capaz de cruzar de algún modo el espacio que queda entre los dos trozos de papel así doblados, podrá pasar de un punto a otro en medio minuto exactamente.

Vayamos ahora con la analogía. Si tenemos dos estrellas que distan cincuenta años-luz entre sí, una nave espacial que vuele a la máxima velocidad (la de la luz) tardará cincuenta años en ir de una a otra (referidos a alguien que se encuentre en cualquiera de estos dos sistemas estelares). Todo esto crea numerosas complicaciones, pero los escritores de ciencia-ficción han descubierto un modo de simplificar los argumentos, y es pretender que la estructura del espacio (en esencia tridimensional) puede doblarse por una cuarta dimensión espacial, dejando así entre las dos estrellas un vano cuatridimensional muy pequeño. La nave cruza entonces ese estrecho y se presenta en la estrella en un santiamén.

Los matemáticos acostumbran a hablar de los objetos de cuatro dimensiones como si se tratara de objetos análogos tridimensionales y añadiendo luego el prefijo “hiper”, palabra griega que significa “por encima de”, “más allá de”. Un objeto cuya superficie dista lo mismo del centro en las cuatro dimensiones es una “hiper-esfera”. Y de la misma manera podemos obtener el “hiper-tetraedro”, el “hiper-cubo” y el “hiper-elipsoide”. Con este convenio podemos llamar “hiper-espacio” a ese vano cuatridimensional entre las estrellas.

Pero ¡viva el cielo!, que por muy útil que le sea al escritor de ciencia-ficción el hiper-espacio, nada hay en la ciencia actual que demuestre la existencia de tal cosa, salvo como abstracción matemática.

44- ¿Qué es la antigravedad? ¿Cómo puede estudiarse?

Hay dos tipos de campos, los electromagnéticos y los gravitatorios, cuya intensidad decrece con el cuadrado de la distancia. Esta disminución de intensidad es suficientemente lenta para permitir que un campo electromagnético o gravitatorio sea detectable a grandes distancias. La Tierra está firmemente sujeta por el campo gravitatorio solar, pese a que el Sol está a 150 millones de kilómetros.

Sin embargo, el campo gravitatorio es, con mucho, el más débil de los dos. El campo electromagnético creado por un electrón es algo así como cuatro septillones más intenso que su campo gravitatorio.

Claro está que sí parecen intensos los campos gravitatorios. Cada vez que nos caemos experimentamos dolorosamente la intensidad del campo gravitatorio terrestre. Pero es sólo porque la Tierra tiene un tamaño inmenso. Cada fragmento diminuto contribuye a ese campo, y al final la suma es ingente.

Pero suponed que cogemos 100 millones de electrones (que, juntados en un punto, ni siquiera se verían al microscopio) y los dispersamos por un volumen del tamaño de la Tierra. El campo electromagnético resultante sería igual al campo gravitatorio de toda la Tierra.

¿Por qué no notamos más los campos electromagnéticos que los gravitatorios?

Aquí es donde surge otra diferencia. Hay dos clases de carga eléctrica, llamadas positiva y negativa, de modo que un campo electromagnético puede resultar en una atracción (entre una carga positiva y otra negativa) o en una repulsión (entre dos positivas o entre dos negativas). De hecho, si la Tierra no contuviera otra cosa que esos 100 millones de electrones, éstos se repelerían y se dispersarían en todas direcciones.

Las fuerzas de atracción y repulsión electromagnéticas sirven para mezclar a fondo las cargas positivas y negativas, de modo que el efecto de éstas se anula en definitiva. Aquí y allá es posible que surjan pequeñísimos excesos o defectos de electrones, y los campos electromagnéticos que nosotros estudiamos son precisamente los correspondientes a estos desplazamientos.

El campo gravitatorio, por el contrario, parece ser que sólo produce fuerzas de atracción. Cualquier objeto que posea masa atrae a cualquier otro que también la posea, y a medida que se acumula la masa aumenta también la intensidad del campo gravitatorio, sin cancelación alguna.

Si un objeto con masa repeliera a otro objeto (dotado también de masa) con la misma intensidad y de la misma manera que se atraen dichos objetos en las condiciones gravitatorias normales, lo que tendríamos sería “antigravedad” o “gravedad negativa”.

Jamás se ha detectado una repulsión gravitatoria de este tipo, pero quizá sea porque todos los objetos que podemos estudiar con detalle están constituidos por partículas ordinarias.

Pero además de las partículas ordinarias están las “antipartículas”, que son iguales que aquéllas, salvo que el campo electromagnético está invertido. Si una partícula dada tiene carga negativa, la correspondiente antipartícula la tiene positiva. Y puede ser que el campo gravitatorio de las antipartículas también esté invertido. Dos antipartículas se atraerían gravitatoriamente igual que dos partículas, pero una antipartícula y una partícula se repelerían.

Lo malo es que los campos gravitatorios son tan débiles, que en partículas o antipartículas sueltas es imposible detectarlos, como no sea en masas grandes. Masas grandes de partículas sí tenemos, pero en cambio nadie ha reunido una masa apreciable de antipartículas. Ni tampoco ha sugerido nadie un modo alternativo, y práctico, de detectar los efectos antigravitatorios.



Les dejo un video de un Levitron, que es lo más parecido a algo con Antigravedad que vamos a encontrar:

45- ¿Cuál es la velocidad de la gravitación?

Una manera más larga, pero quizá más clara, de plantear la cuestión es ésta: supongamos que el Sol dejara de pronto de existir y se desvaneciera en la nada. ¿Cuánto tiempo pasaría antes que la Tierra dejara de verse solicitada por su campo gravitatorio?

Una pregunta parecida podría ser: ¿Cuánto tiempo después de la desaparición del Sol dejaría la Tierra de recibir su luz?

La respuesta a la segunda pregunta la conocemos muy bien. Sabemos que el Sol se halla a poco menos de 150 millones de kilómetros de la Tierra y también que la luz se propaga a 299.793 kilómetros por segundo en el vacío. El último rayo de luz que abandonara el Sol, justo antes de desaparecer, tardaría 8,3 minutos en llegar a la Tierra. O digámoslo así: al Sol lo veríamos desaparecer 8,3 minutos más tarde de haber desaparecido realmente.

El motivo que sea fácil contestar esta pregunta acerca de la luz es que hay una serie de métodos para medir efectivamente su velocidad de propagación. Tales mediciones son viables gracias a que podemos detectar cambios en la debilísima luz emitida por los cuerpos celestes remotos, y gracias también a que somos capaces de producir haces de luz muy intensos.

Con los campos gravitatorios no tenemos esas ventajas. Es muy difícil estudiar pequeños cambios en campos gravitatorios débiles, y además no sabemos producir, aquí en la Tierra, efectos gravitatorios intensos que se extiendan a grandes distancias.

Así, que hay que recurrir a la teoría. Hay cuatro tipos de interacción en el universo:

nucleares fuertes,

nucleares débiles,

electromagnéticas, y

gravitatorias.

Las dos primeras son de corto alcance y decrecen muy rápidamente con la distancia. A distancias superiores a la anchura de un núcleo atómico, las interacciones nucleares son tan débiles que pueden ignorarse. Las interacciones electromagnéticas y gravitatorias son, por el contrario, de largo alcance. Decrecen sólo con el cuadrado de la distancia, lo cual quiere decir que se dejan sentir a distancias astronómicas.

Los físicos creen que cualquier interacción entre dos cuerpos tiene lugar por intercambio de partículas sub-atómicas. Cuanto mayor sea la masa de la partícula de intercambio, menor será el alcance de la interacción. La interacción nuclear fuerte, por ejemplo, resulta del intercambio de piones, que tienen una masa 270 veces más grande que la de los electrones. La interacción nuclear débil tiene lugar por intercambio de partículas más pesadas aún: las partículas W (que, por cierto, no han sido detectadas aún).

Si las partículas de intercambio no tienen masa, la interacción tiene un alcance máximo, y esto es lo que ocurre con la interacción electromagnética. La partícula de intercambio es en este caso el fotón, que no tiene masa. Una corriente de estos fotones carentes de masa constituye un haz de luz o de radiaciones afines. La interacción gravitatoria, que tiene un alcance tan grande como la electromagnética, ha de implicar una partícula de intercambio carente también de masa: lo que se llama el gravitón.

Pero los físicos tienen buenas razones para suponer que las partículas sin masa no pueden viajar por el vacío a una velocidad superior a la de la luz; es decir, a 299.793 kilómetros por segundo, ni más ni menos.

Si es así, los gravitones viajan exactamente a la velocidad de los fotones. Lo cual significa que los últimos gravitones que emitiera el Sol al desaparecer llegarían hasta nosotros junto con los últimos fotones. En el momento en que dejásemos de ver el Sol, dejaríamos también de estar bajo su atracción gravitatoria.

En resumen, la gravitación se propaga a la velocidad de la luz.

46- ¿Qué es la teoría del campo unificado?

A mediados del siglo XIX se conocían cuatro fenómenos que eran capaces de hacerse notar a través del vacío. Eran:

gravitación,
luz,
atracción y repulsión eléctricas, y
atracción y repulsión magnéticas.
Al principio parecía que los cuatro fenómenos eran completamente independientes, que no tenían necesariamente ninguna conexión entre sí. Pero entre 1864 y 1873 el físico teórico escocés J. Clerk Maxwell analizó matemáticamente los fenómenos eléctricos y magnéticos, encontrando ciertas relaciones básicas (las “ecuaciones de Maxwell”) que describían tanto los fenómenos eléctricos como los magnéticos y que demostraban que los unos dependían de los otros. No había ningún efecto eléctrico que no fuese acompañado de un determinado efecto magnético, y viceversa. En otras palabras, podía hablarse de un “campo electromagnético”, que se extendía a través del vacío y que, por contacto, influía sobre los cuerpos de acuerdo con la intensidad del campo en ese punto del espacio.

Maxwell demostró también que haciendo oscilar de manera regular a este campo se originaba una radiación que se alejaba de la fuente de oscilación a la velocidad de la luz en todas direcciones. La luz propiamente dicha era una de esas “radiaciones electromagnéticas” y Maxwell predijo la existencia de formas de luz con longitudes de onda mucho más pequeñas y mucho más grandes que la de la luz ordinaria. Esas otras formas de luz fueron descubiertas a lo largo de los veinte años siguientes, y hoy día se habla de todo un “espectro electromagnético”.

Así pues, de los cuatro fenómenos mencionados al principio, tres (electricidad, magnetismo y luz) quedaron fundidos en un único campo. Pero quedaba aún la gravedad por explicar. Estaban 1) el campo electromagnético y 2) el campo gravitatorio, que al parecer seguían siendo dos campos independientes.

Los físicos, sin embargo, pensaban que sería mucho más bonito que hubiese un solo campo (esa es la “teoría del campo unificado”); y así empezaron a buscar la manera de describir los efectos electromagnéticos y los gravitatorios de modo que la existencia de unos pudiera utilizarse para describir la naturaleza de la existencia de los otros.

Pero aunque se descubriesen unas ecuaciones que combinaran los efectos electromagnéticos y los gravitatorios, no lograrían del todo proporcionar, según los criterios actuales, un campo auténticamente unificado. Después de 1935 se descubrieron dos nuevos tipos de campo que sólo afectan a las partículas subatómicas y, además, sólo a distancias inferiores al diámetro de un núcleo atómico. Son la “interacción nuclear fuerte” y la “interacción nuclear débil”.

Un auténtico campo unificado tendría que dar cuenta de los cuatro campos que hoy se conocen.

47- ¿Qué es, en pocas palabras, la teoría de la relatividad de Einstein?

Según las leyes del movimiento establecidas por primera vez con detalle por Isaac Newton hacia 1680 - 1689, dos o más movimientos se suman de acuerdo con las reglas de la aritmética elemental. Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, de modo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora.

Como veis, no se puede hablar de la velocidad de la pelota a secas. Lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador a otro sería una “teoría de la relatividad”.

La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría hacerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él. En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más aprisa, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz.

Einstein dijo entonces: supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias. ¿Cómo podemos disponer las leyes del universo para explicar esto?

Einstein encontró que para explicar la constancia de la velocidad de la luz había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló que los objetos tenían que acortarse en la dirección del movimiento, tanto más cuanto mayor fuese su velocidad, hasta llegar finalmente a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz; que la masa de los objetos en movimiento tenía que aumentar con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite de la velocidad de la luz; que el paso del tiempo en un objeto en movimiento era cada vez más lento a medida que aumentaba la velocidad, hasta llegar a pararse en dicho límite; que la masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y viceversa.

Todo esto lo elaboró en 1905 en la forma de la “teoría especial de la relatividad”, que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante. En 1915 extrajo consecuencias aún más sutiles para objetos con velocidad variable, incluyendo una descripción del comportamiento de los efectos gravitatorios. Era la “teoría general de la relatividad”.

Los cambios predichos por Einstein sólo son notables a grandes velocidades. Tales velocidades han sido observadas entre las partículas subatómicas, viéndose que los cambios predichos por Einstein se daban realmente, y con gran exactitud. Es más, sí la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta, los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas imposibles de hacer.

Pero a las velocidades corrientes, los cambios predichos son tan pequeños que pueden ignorarse. En estas circunstancias rige la aritmética elemental de las leyes de Newton; y como estamos acostumbrados al funcionamiento de estas leyes, nos parecen ya de “sentido común”, mientras que la ley de Einstein se nos antoja "extraña".

48-49 ¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?

La energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otro modo, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo incrustado en madera dura e incapaz por tanto de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero en forma de calor.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (y el invento de la bomba atómica probó que estaba en lo cierto). Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer por tanto en la forma de masa, o bien en otra serie de formas.

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increíblemente pequeña, que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX, con la observación de partículas subatómicas que se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo, cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 kilómetros por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que en reposo (siempre respecto a nosotros).

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

en forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento, y

en forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, prácticamente toda la energía se incorpora en forma de velocidad: el cuerpo se mueve más aprisa sin sufrir apenas ningún cambio de masa.

A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (y suponiendo que se sigue inyectando constantemente energía) es cada vez menos la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida notamos que gana masa a un ritmo ligeramente mayor.

Al aumentar aún más la velocidad y acercarse a los 299.793 kilómetros por segundo, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi toda la energía añadida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero ahora es la masa la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energía añadida aparece en forma de masa adicional.

El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz, porque para conseguirlo hay que comunicarle energía adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energía, por mucha que sea, se convertirá en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentará ni un ápice.

Todo esto no es “pura teoría”. Los científicos han observado con todo cuidado durante años las partículas subatómicas. En los rayos cósmicos hay partículas de energía increíblemente alta, pero por mucho que aumenta su masa, la velocidad nunca llega a la de la luz en el vacío. La masa y la velocidad de las partículas subatómicas son exactamente como predice la teoría de la relatividad, y la velocidad de la luz es una velocidad máxima como una cuestión de hecho, no en virtud de simples especulaciones.

Las explicaciones anteriores no dejaron sentada del todo la cuestión, sino que plantearon dudas e incitaron a muchos a formular por carta nuevas preguntas. Algunos preguntaban: “¿Por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?” o “¿Por qué se propaga la luz a 299.793 kilómetros por segundo y no a otra velocidad?”

Hoy por hoy, la única respuesta posible a esas preguntas es: “Porque así es el universo”.

Otros preguntaban: “¿Cómo aumenta la masa?” Esto ya es más fácil. No es que aumente el número de átomos, que sigue siendo el mismo, sino que es la masa de cada átomo (en realidad de cada partícula dentro del átomo) la que aumenta.

Hubo quienes preguntaron si no sería posible aumentar los recursos terrestres a base de mover la materia muy deprisa, doblando así su masa. De ese modo tendríamos justamente el doble.

No es cierto. El aumento de masa no es “real”. Es una cuestión de medida. La velocidad sólo adquiere significado como medida relativa a algo: a la persona que efectúa la medida, pongamos por caso. Lo único que cuenta es la medición. Ni tú ni yo podemos medir materia que se mueve más deprisa que la luz.

Pero supón que te agarras a esa materia que acabas de comprobar que tiene el doble de su masa normal y que la quieres utilizar para un fin determinado. Al moverte junto con ella, su velocidad con respecto a ti es cero y de pronto su masa es otra vez la normal.

Si pasas como un relámpago al lado de tu amigo a una velocidad próxima a la de la luz, verías que su masa es enorme y él vería igual de enorme la tuya. Tanto tú corno él pensaríais que vuestra propia masa era normal.

Preguntaréis: “¿Pero cuál de los dos ha aumentado realmente de masa?” La respuesta es: “Depende de quién haga la medida”. No hay “realmente” que valga; las cosas son tal como son medidas con respecto a algo y por alguien. De ahí el nombre de teoría de la “relatividad”.

Nosotros pensamos que estamos cabeza arriba y que los australianos están cabeza abajo. Los australianos piensan lo mismo pero al revés. ¿Cuál de las dos visiones es “realmente” la correcta? Ninguna de las dos. No hay “realmente” que valga. Depende de en qué punto de la Tierra nos encontremos. Todo es relativo.

Hubo también lectores que preguntaron: “Si la masa aumenta con la velocidad, ¿no se haría cero cuando el objeto estuviera absolutamente quieto?” Pero es que no hay el “absolutamente quieto”. Sólo hay “reposo relativo”. Una cosa puede estar en reposo en relación con otra. Cuando un objeto está en reposo en relación con la persona que efectúa la medida, posee una cierta masa mínima denominada “masa en reposo”. La masa no puede ser menor que eso.

A velocidades relativas grandes no sólo aumenta la masa de un objeto, sino que disminuye también la longitud del mismo en la dirección del movimiento y se retrasa el paso del tiempo por dicho objeto.

Y si preguntamos que por qué, la respuesta es: “Porque si no fuese así, la velocidad de la luz no sería la velocidad máxima para la materia.”

50- Las partículas que se mueven más deprisa que la luz emiten radiación luminosa. ¿Cómo es posible, si no hay nada que se propague más deprisa que la luz?

A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad.

Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes según el medio en que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.793 kilómetros por segundo. Éste es el límite último de velocidades.

Por consiguiente, para ser precisos habría que decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la velocidad de la luz en el vacío”.

Cuando la luz se mueve a través de un medio transparente, siempre lo hace más despacio que en el vacío, y en algunos casos mucho más despacio. Cuanto más despacio se mueva en un medio dado, tanto mayor es el ángulo con que se dobla (refracta) al entrar en ese medio desde el vacío y con un ángulo oblicuo. La magnitud de ese doblamiento viene definida por lo que se denomina el “índice de refracción”.

Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío por el índice de refracción de un medio dado, lo que obtenemos es la velocidad de la luz en dicho medio. El índice de refracción del aire, a la presión y temperatura normales, es aproximadamente 1,0003, de modo que la velocidad de la luz en el aire es 299.793 dividido por 1,0003 ó 299.703 kilómetros por segundo. Es decir, 90 kilómetros por segundo menos que la velocidad de la luz en el vacío.

El índice de refracción del agua es 1,33, del vidrio corriente 1,7 y del diamante 2,42. Esto significa que la luz se mueve a 225.408 kilómetros por segundo por el agua, a 176.349 kilómetros por segundo por el vidrio y a sólo 123.881 kilómetros por segundo por el diamante.

Las partículas no pueden moverse a más de 299.793 kilómetros por segundo, pero desde luego sí a 257.500 kilómetros por segundo, pongamos por caso, incluso en el agua. En ese momento están moviéndose por el agua a una velocidad mayor que la de la luz en el agua. Es más, las partículas pueden moverse más deprisa que la luz en cualquier medio excepto el vacío.

Las partículas que se mueven más deprisa que la luz en un determinado medio distinto del vacío emiten una luz azul que van dejando tras de sí como si fuese una cola. El ángulo que forman los lados de esta cola con la dirección de la partícula depende de la diferencia entre la velocidad de la partícula y la de la luz en ese medio.

El primero que observó esta luz azul emitida por las partículas más veloces que la luz fue un físico ruso llamado Pavel A. Cerenkov, que anunció el fenómeno en 1934. Esa luz se denomina, por tanto, “radiación de Cerenkov”. En 1937, otros dos físicos rusos, Eya M. Frank e Igor Y. Tamm, explicaron la existencia de esta luz, relacionándola con las velocidades relativas de la partícula y de la luz en el medio que se tratara. Como resultado de ello, los tres recibieron en 1958 el Premio Nóbel de Física.

Para detectar dicha radiación y medir su intensidad y la dirección con que se emite se han diseñado instrumentos especiales, llamados “contadores de Cerenkov”.

Los contadores de Cerenkov son muy útiles porque sólo son activados por partículas muy rápidas y porque el ángulo de emisión de la luz permite calcular fácilmente su velocidad. Los rayos cósmicos muy energéticos se mueven a una velocidad tan próxima a la de la luz en el vacío, que producen radiación de Cerenkov incluso en el aire.

Los taquiones, partículas hipotéticas que sólo se pueden mover más de prisa que la luz en el vacío, dejarían un brevísimo relámpago de radiación de Cerenkov incluso en el vacío. Las esperanzas que tienen los físicos de probar la existencia real de los taquiones se cifran en detectar precisamente esa radiación de Cerenkov (suponiendo que existan, claro está).






Bueno Taringuer@s, espero que les haya gustado el post. Taringa ya no me deja excederme mas de caracteres en éste post, asi que tendré que postear las preguntas en varias partes. No se olviden de seguirme!!
Muchas gracias por sus visitas!

En la próxima entrega veremos:

51- Si no hay nada más rápido que la luz, ¿qué son los taquiones, que al parecer se mueven más deprisa que ella?
52- Los taquiones de energía cero se mueven con velocidad infinita. ¿Es de verdad posible una velocidad infinita?
53- ¿Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg?
54- ¿Qué es la paridad?
55- ¿Por qué se habla de la vida media de un isótopo y no de su vida entera?
56- ¿Por qué están encontrando los científicos tantas partículas subatómicas nuevas y cuál es su significado?
57- ¿Qué es un quark?
58- Se ha dicho que los protones están constituidos por combinaciones de tres quarks p y también que un quark es treinta veces más pesado que un protón. ¿Cómo pueden ser ciertas ambas cosas a la vez?
59- En la bomba atómica se convierte materia en energía. ¿Es posible hacer lo contrario y convertir energía en materia?
60- Las antipartículas ¿producen antienergía?

Y +