La sorprendente acción a distancia de la gravedad

Este artículo tiene cierta relación con otro recientemente publicado en este blog titulado "El incomprensible comportamiento de los átomos y sus partículas" en el sentido de que incita a reflexionar sobre cómo nuestra experiencia condiciona nuestro entendimiento sobre diferentes aspectos del mundo en que vivimos.

En el citado artículo se transmitía el mensaje de que la dificultad para entender el comportamiento del mundo microscópico se debía a que las personas normales no tenemos experiencias directas de ese mundo sino sólo lo que nos cuentan los especialistas a la vista de los resultados de sus complicados experimentos.

En este artículo vamos a ver otro caso en el que nuestra experiencia condiciona nuestro entendimiento pero ahora en el sentido opuesto, porque damos por entendido algo tan difícil de comprender como es la acción a distancia de la gravedad.

Pocos fenómenos están mas presentes que la gravedad en nuestras vidas. Desde que aprendemos a echar los primeros pasos establecemos una lucha permanente con la gravedad para mantenernos erguidos, lo que ocurre es que nuestro cerebro nos hace guardar el equilibrio de forma tan automática que sólo nos sorprendemos si alguien tropieza y cae. 

Estamos tan acostumbrados a que los objetos que no están sujetos caigan hacia abajo que aceptamos ese hecho como la cosa mas natural del mundo y no reflexionamos sobre cómo la fuerza de la gravedad puede actuar a distancia para tirar del objeto hacia abajo. Tuvo que llegar un genio de la talla de Isaac Newton para preguntarse seriamente por qué ocurría esto.



Newton, una de las mayores inteligencias de la historia, se dio cuenta de que una cosa es describir la ecuaciones de la gravitación y otra comprender la auténtica naturaleza de la gravedad. En una carta dirigida al obispo y erudito Richard Bentley  escribió: «...que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia, a través del vacío y sin ninguna otra mediación, y que su acción y fuerza puedan pasar de uno al otro, es para mí un absurdo tan grande que creo que nunca estará de acuerdo con ello ningún hombre que sea intelectualmente competente en materia filosófica.»

Aún sin comprender como una fuerza se podía transmitir a distancia, en 1687 Newton enunció verbal y matemáticamente las leyes de la gravitación universal por las que se rigen tanto los movimientos de los objetos en la gravedad terrestre como los movimientos de los astros y con ello reunió en una sola teoría la descripción de la mecánica terrestre y la celeste.

Una explicación

Hubo que esperar hasta 1916 para que otro genio de talla comparable, Albert Einstein, publicara su Teoría General de la Relatividad y diera una respuesta al problema que preocupaba a Newton. La explicación de Einstein de como la fuerza de la gravedad se transmite a distancia no puede ser mas sorprendente: la fuerza de la gravedad no existe, los efectos que achacamos a la fuerza de la gravedad no son mas que las consecuencias de una deformación del espacio. 
Después de concebir esta idea, Einstein, con ayuda de relevantes matemáticos de la época, dedicó varios años de intenso esfuerzo a plasmarla en las nuevas ecuaciones de la gravitación universal.  

Las ecuaciones son complicadas pero en plan de divulgación se pueden expresar coloquialmente en estas dos sencillas frases:

• La masa le dice al espacio como debe curvarse.
• El espacio le dice a la masa como debe moverse.

¿Cómo se deforma el espacio?

Imaginemos una tejido elástico tensado en un plano horizontal como si fuera un mundo de 2 dimensiones. Si le colocamos  encima una esfera pesada, el tejido se deforma y adquiere una forma cóncava. Un ser bidimensional no se daría cuenta de la deformación. Nosotros si al observarlo desde nuestro mundo de 3 dimensiones.



 Lo que dice la Teoría de la Relatividad es que, de forma análoga al tejido elástico del ejemplo anterior, el espacio tridimensional en que vivimos se curva sobre un espacio de 4 dimensiones. Nosotros no podemos percibir esa deformación y difícilmente imaginar que es un mundo de 4 dimensiones. 
En la figura se trata de representar esa deformación dibujando como quedaría una estructura cúbica regular al colocar la masa.





¿Cómo es el movimiento sobre un espacio deformado?

Cuando no actúan fuerzas sobre un cuerpo en movimiento, este sigue la trayectoria que requiere la mínima distancia a recorrer que es la que se conoce cómo línea geodésica.

En el ejemplo anterior, si antes de colocarle la esfera pesada tiramos sobre el tejido tensado una bolita ligera podremos observar que ésta se mueve en línea recta. Fig (a). 

Sin embargo si tiramos la bolita después de haber colocado la esfera pesada observaremos que la bolita sigue una trayectoria curva debido a la deformación del tejido implica que la línea geodésica tiene ahora esa forma. Fig (b).

La Relatividad explica que La Tierra, planetas y demás astros del sistema solar sigan unas trayectorias elípticas porque son las líneas geodésicas que les corresponden dentro de ese cuenco que es el espacio del sistema solar curvado por el Sol, sin que ninguna fuerza obligue a los astros a seguir sus curvadas trayectorias.



¿Una locura?
No. Porque si se acepta que el espacio se deforma por el sólo hecho de contener masas (galaxias, estrellas, planetas, etc) la explicación de los efectos gravitatorios es completamente racional y las nuevas leyes de la gravitación explican todos los fenómenos gravitatorios conocidos y son "casi" idénticas a las que enunció Newton en el siglo XVII.

He puesto "casi" porque en las nuevas leyes aparecen unas pequeñas modificaciones sobre las de Newton que hay que tener en cuenta en casos muy especiales. 
Esas modificaciones permiten, por ejemplo, que las leyes relativistas expliquen con precisión el desplazamiento del perihelio del planeta Mercurio cosa que no se puede explicar con las leyes de Newton.



Cuando se dice que la fuerza de la gravedad no existe no se niega el resultado, se niega el origen. Lo que sentimos como fuerza de la gravedad es una fuerza virtual, algo parecido a la fuerza centrífuga que experimentamos vívidamente cuando estamos dentro de un vehículo que recorre velozmente una trayectoria curvada.

Ondas gravitacionales

Una de las consecuencias que tiene idea de Einstein es que el espacio se comporta como un tejido elástico en el que la deformación en una zona se transmite a las zonas colindantes. A consecuencia de esto, cuando se producen perturbaciones bruscas en la deformación del espacio debidas a cataclismos cósmicos, la deformación se propaga a la velocidad de la luz por el espacio formando ondas gravitacionales. 

Estas ondas no se han podido observar aún pero ya se han construido detectores especialmente diseñados para este fin, ya que este aspecto es la última predicción que falta por comprobar de la Teoría de la Relatividad.

Juan Rojas

El extrañísimo comportamiento de los átomos y sus componentes

     En 1871 James C. Maxwell, creador de la teoría electromagnética, expresando el sentir de la época dijo en una clase magistral en la Universidad de Cambridge: "En unos pocos años habremos determinado con una buena aproximación las grandes constantes de la Física. A partir de ahora la única ocupación de los científicos será extender la precisión de las medidas a un nuevo decimal." Este sentimiento optimista se basaba en que la mayoría de los fenómenos podían explicarse mediante lo que hoy llamamos la Física Clásica (la mecánica de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell, la termodinámica y la mecánica estadística de Boltzmann). Parecía que sólo quedaban por resolver unos pocos problemas no demasiado importantes. Uno de ellos era la determinación de las propiedades del éter sobre el que se propagaban las ondas electromagnéticas en el espacio. Otro era cómo explicar la radiación del cuerpo negro (el cuerpo que no refleja nada de luz).

Sin embargo, lo que en ese momento parecían pequeños problemas resultaron ser la semilla de las dos ramas de la Física que en el siglo XX le dieron la vuelta a esta ciencia hasta tal punto que se necesitó un replanteamiento radical de los conceptos científicos y filosóficos que existían hasta entonces.

Por un lado, los resultados de los experimentos para determinar cómo se propagaban las ondas electromagnéticas dieron pié a Albert Einstein para formular la Teoría de la Relatividad. 

Por otro lado, la imposibilidad de explicar por las leyes clásicas como radiaban la energía los cuerpos negros sugirió a Max Planck (en un acto de desesperación y aún sin verle sentido) la idea de que "la energía no se intercambia de forma continua sino de forma discreta como múltiplo de una unidad de energía mínima (a la que le llamó cuanto)". 

Sorprendido, comprobó que con esta hipótesis se explicaban con absoluta precisión los resultados experimentales. La idea del cuanto fue el germen de la Mecánica Cuántica y le valió a Planck el Premio Nobel de Física de 1918.

La Mecánica Cuántica se ocupa del fascinante y paradójico mundo del comportamiento de la materia y la radiación en las escalas atómica y subatómica. Trata de describir y explicar las propiedades de las moléculas, los átomos y sus constituyentes: protones, neutrones, electrones, quarks, gluones, etc. Esas propiedades incluyen las interacciones de las partículas entre sí y con la radiación electromagnética.

Matemáticamente la Mecánica Cuántica es relativamente fácil de entender (para los matemáticos) y sus ecuaciones predicen los resultados de los experimentos con una precisión admirable pero lo que realmente significan esas ecuaciones no es fácil de entender en absoluto, ni para los profanos ni siquiera para los expertos. En realidad, si lo analizamos lógicamente no hay ninguna razón para pensar que el comportamiento del mundo atómico y subatómico deba seguir las mismas pautas que el mundo macroscópico que observamos en nuestra experiencia diaria.

Para anticiparnos a la típica reacción de incredulidad de quién se acerca por primera vez a los principios de esta disciplina vamos a empezar por ver algunas opiniones sobre la Mecánica Cuántica de algunos de los científicos (todos ellos premios Nobel de Física) que más se destacaron en el desarrollo de esta nueva rama de la Ciencia.

Niels Bohr (Nobel 1922): "Quién no se siente impactado por la Mecánica Cuántica es que no la conoce".

Richard Feynman (Nobel 1965): "Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la Mecánica Cuántica... No te pongas a repetir, '¿pero cómo puede ser así?' porque te meterás en un callejón sin salida del que nadie ha escapado. Nadie sabe cómo puede ser así".

Erwin Schrödinger (Nobel 1933): "No me gusta (la Mecánica Cuántica) y me disgusta haber tenido que ver con ella".

Albert Einstein, a pesar de haber sido uno de los pilares iniciales de la Teoría Cuántica explicando el efecto fotoeléctrico (por lo que recibió el Nobel en 1921) fue muy crítico con la nueva teoría, decía que la teoría "caía en la fantasmal" y no aceptó su carácter probabilístico. Al final de su vida escribió : "Todos estos cincuenta años de cavilación consciente no me han acercado a la respuesta de la pregunta '¿Qué son los cuantos de luz?' Hoy en día cualquiera puede creer que lo sabe, pero está equivocado".

Paul Dirac (Nobel 1933): "Ni siquiera con palabras podemos explicarla bien".

Werner Heisenberg (Nobel 1932): "Todas las palabras o conceptos que usamos para describir objetos físicos ordinarios como posición, velocidad, color, tamaño, etc., se vuelven indefinidos y problemáticos si tratamos de usarlos aplicados a las partículas elementales".

Stephen Hawking opina que comprender el funcionamiento íntimo de la naturaleza no es lo más importante y que lo que realmente importa es contar con una teoría que nos permita hacer predicciones de lo que va a ocurrir.

El experimento de la doble ranura

Empecemos por describir un experimento del que Richard Feynman dice: “Es absolutamente imposible explicarlo de alguna manera clásica. Su contenido es el corazón de la Mecánica Cuántica. En realidad sólo contiene misterio ...”. Consiste en lanzar partículas, una a una, sobre una barrera que tiene dos rendijas y observar como después de atravesar las rendijas llegan a una pantalla situada detrás. El experimento, que es totalmente repetible, se ha realizado con electrones, protones, neutrones y hasta con moléculas de fullerenos, (compuestas por 60 átomos de carbono con formas de balones de fútbol) y siempre se han obtenido los mismos sorprendentes resultados. Pero en vez de describir textualmente los detalles del experimento vamos a utilizar el siguiente video, que va orientado a un público juvenil, y lo explica de forma muy esquemática y muy clara.

Entrelazamiento cuántico

Experimentalmente se comprueba que en determinadas circunstancias dos o mas partículas quedan relacionadas entre si en un estado especial que se ha denominado "estado entrelazado". El entrelazamiento entre partículas constituye un fenómeno cuántico fundamental que no se ajusta a la noción de realidad a la que estamos acostumbrados. Cuando se observan partículas entrelazadas se comprueba que sus propiedades están fuertemente correlacionadas aunque las partículas estén físicamente separadas. Recientemente un equipo internacional liderado por Anton Zeilinger de la Universidad de Viena ha publicado en Nature un estudio en el que ha comprobado el entrelazamiento cuántico de dos fotones distantes 143 Km, uno en la isla de La Palma y otro la de Tenerife.

Un cambio total

Estos y otros muchos experimentos realizados desde comienzos del siglo XX llevaron a los científicos a la conclusión de que el mundo de los átomos y de las partículas que lo componen no se rigen por los principios del mundo macroscópico sino por otros totalmente nuevos y extraños que poco a poco fueron descubriendo. Además del principio de cuantización de la energía, antes mencionado, los principios descubiertos son los siguientes:

Principio de dependencia del observador, por el que es imposible, por razones de principio, efectuar una medición sobre un sistema sin perturbarlo. Si observamos un experimento relacionado con la colisión de una determinada partícula, el resultado obtenido está afectado por el hecho de que lo estamos observando. De acuerdo con la mecánica cuántica, la objetividad no existe. Los detalles de la naturaleza de esta perturbación y la forma en que ella ocurre son todavía asuntos controvertidos.

Principio de dualidad onda-partícula, por el que las partículas se comportan a veces como onda y a veces como partículas, existiendo una relación precisa entre la masa de cuando se comporta como partícula y la frecuencia de vibración de cuando se comporta como onda. (A través de E=mc2 y de E= hv).

Ecuación de onda de Schrödinger. Si desconcertante es el hecho de que la materia se comporte como una onda, más desconcertante aún resulta la explicación de que esa naturaleza ondulatoria de la materia esté asociado a un comportamiento probabilístico. En 1924 Erwin Schrödinger comprobó que si un experimento con una partícula se repetía de forma totalmente idéntica, la partícula se encontraba cada vez en una posición diferente. A raíz de esto desarrolló su famosa ecuación que describe con total precisión las probabilidades de que la partícula se encuentre en cada una de las posiciones del espacio así como su evolución en el tiempo.

Principio de incertidumbre de Heisenberg. En 1927, Werner Heisenberg demostró que la precisión con que se pueden conocer la posición y la velocidad de una partícula son inversamente proporcionales. Es decir si se mide con precisión la posición se obtiene gran error en la velocidad y viceversa. De igual manera demostró hay otras magnitudes que le ocurre lo mismo y que esto es un hecho fundamental de la naturaleza que se da para todas las partículas independientemente de los instrumentos y de los métodos de medición empleados. A consecuencia de esto, en la interpretación actual, el principio de incertidumbre de Heisenberg se expresa diciendo que no es que no seamos capaces de hacer mediciones precisas por problemas de habilidad o de instrumentación sino que realmente las partículas no tienen unos valores concretos para esos pares de variables (posición-velocidad, energía-tiempo, etc). Es decir, no es un problema de conocimiento sino de que en la naturaleza se da realmente esa fluctuación de las propiedades. Además el hecho de que en ese límite aparezca también la constante de Planck demuestra que esa constante es la medida universal de la indeterminación introducida en las leyes naturales por el dualismo de las ondas y los corpúsculos.

Interpretación de Copenhague

Pero una cosa son los principios enumerados, en la que los expertos están de acuerdo y otra cosa es entender las ideas que subyacen en esos principios. Si, las cosas son tan raras que los expertos en estas materias han formulado a lo largo de los años diversas interpretaciones, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes. En 1927 Bohr presentó lo que desde entonces se conoce como interpretación de Copenhague que ha sido tradicionalmente considerada por muchos como la forma oficial de interpretar la Mecánica Cuántica. De acuerdo con esa interpretación el resultado de un experimento cuántico es aleatorio y su probabilidad viene definida por la función de onda. En el acto de la observación esa probabilidad difusa se convierte en un resultado concreto que es lo que los expertos llaman "el colapso de la función de onda". Un problema de esta interpretación es que no ofrece ninguna explicación de cómo se produce este colapso. Y otro problema es que de esta interpretación se deduce que la realidad física no existe sino que se crea en el momento de observar.

¿Es la realidad así de complicada?

En su libro "El universo elegante" Brian Greene dice: "Los expertos en mecánica cuántica son expertos porque saben aplicar unos métodos de cálculo con los que pueden predecir resultados experimentales pero sin comprender del todo por qué funcionan estos métodos o qué significan realmente. Ante esta situación caben 2 explicaciones:

• Una. A nivel microscópico, el universo funciona realmente de una forma tan extraña, que la mente humana, que ha evolucionado para comprender los fenómenos de la vida cotidiana, es incapaz de comprender plenamente lo que en realidad pasa a nivel microscópico.
• Dos. Los científicos han construido una formulación de la Mecánica Cuántica tan extraordinariamente complicada, que aunque sus ecuaciones sirven para predecir cuantitativamente los resultados experimentales, no nos deja entender la verdadera naturaleza de la realidad. Realidad que si se abordara de otra forma si podría ser entendida.

Pero no sabemos cuál de las dos explicaciones es la más acertada. Tal vez las dos."

Conclusión

Es frecuente acusar a la Mecánica Cuántica de no ser determinista, ni causal, ni completa, ni realista, ni local, ni objetiva, etc., pero estas críticas hay que interpretarlas más como una insatisfacción con el comportamiento observado del Universo, que como objeciones a la propia teoría cuántica por reflejar dicho comportamiento. A pesar de ser contraria a nuestra intuición y prejuicios clásicos es la mejor descripción de la Naturaleza que ninguna otra encontrada hasta ahora y es además la teoría mejor comprobada experimentalmente en la historia de la Ciencia. No da razones últimas de por qué la Naturaleza es como parece ser, o de si podría ser de otra forma, pero reproduce correctamente los comportamientos observados. Aunque algunas de sus características desafíen al “sentido común”, no contiene contradicciones internas, explica todos los resultados experimentales conocidos con una precisión de hasta 20 cifras significativas y ha permitido numerosas predicciones sobre nuevos fenómenos que hasta ahora siempre se han confirmado. Ello no la convierte en un dogma indiscutible, pero tampoco se puede considerar como una mera construcción social o un simple consenso entre quienes se dedican a ella. En cualquier caso no se debe ignorar que un siglo después de su descubrimiento, alrededor del 30% del producto interior bruto de los EEUU depende de inventos (semiconductores, láser, resonancia magnética, superconductividad, etc) basados en la Mecánica Cuántica.

Juan Rojas  

La memoria humana

Fragmento del artículo: Así entrené mi supermemoria  de JOSHUA FOER publicado en El País el 5 de Febrero de 2012
Enlace al artículo original: http://www.elpais.com/articulo/portada/entrene/supermemoria/elpepusoceps/20120205elpepspor_10/Tes


Todos nuestros recuerdos se encuentran entrelazados en una red de asociaciones. Esto no es una simple metáfora, sino un reflejo de la estructura física del cerebro. La masa de 1.300 gramos que corona nuestra columna vertebral se compone de unos 100.000 millones de neuronas, cada una de las cuales puede establecer entre 5.000 y 10.000 sinapsis con otras neuronas. La memoria, en el plano fisiológico más elemental, es un entramado de conexiones entre esas neuronas. Cada sensación que recordamos, cada pensamiento que albergamos, transforman nuestro cerebro al modificar las conexiones dentro de esa vasta red. Cuando haya llegado al final de esta frase, su cerebro habrá experimentado cambios físicos.
A pesar de la evolución vivida en décadas recientes, lo cierto es que nadie ha visto aún una memoria en el cerebro humano. Aunque los avances en el campo de la tecnología de la formación de imágenes han permitido que los neurocientíficos entiendan gran parte de la topografía básica del cerebro y estudios sobre las neuronas nos han proporcionado una idea clara de lo que sucede en el interior de células cerebrales individuales y entre dichas células, la ciencia sigue sin saber con certeza qué sucede en el sistema de circuitos del córtex, la capa arrugada más superficial del cerebro que nos permite pensar en el futuro, hacer divisiones largas y escribir poesía y que almacena la mayor parte de nuestros recuerdos. En lo que respecta a lo que sabemos del cerebro, somos como alguien que mirara una ciudad desde un avión que vuela alto.
Podemos distinguir dónde están las áreas industriales y residenciales, dónde está el aeropuerto, la ubicación de las principales arterias, dónde comienza la periferia. También sabemos con todo detalle cómo son las unidades individuales de la ciudad (los ciudadanos y, en esta metáfora, las neuronas). No obstante, en general, no podemos decir adónde va la gente cuando tiene hambre, cómo se gana la vida o cuál es el recorrido diario que efectúa una persona determinada. El cerebro tiene sentido visto desde muy cerca y desde muy lejos, es la zona intermedia -lo que conforma los pensamientos y la memoria, el lenguaje del cerebro- la que continúa siendo un gran enigma.
Sin embargo, una cosa está clara: la naturaleza asociativa no lineal de nuestro cerebro imposibilita que registremos conscientemente nuestra memoria de un modo ordenado. Un recuerdo solo pasa directamente a la conciencia si le da el pie otro pensamiento o percepción, otro nódulo de esa red interconectada casi ilimitada. De manera que cuando desaparece un recuerdo o tenemos un nombre en la punta de la lengua, su búsqueda puede resultar frustrante y a menudo infructuosa. Dado que nuestros recuerdos no siguen ninguna lógica lineal, no podemos ni buscarlos de manera secuencial ni ojearlos.

¿Cómo es posible?

La primera plana de los diarios de hoy la ocupa la noticia de que la agencia de calificación Standard & Poor's rebaja la nota de 9 países europeos. Degrada un escalón la deuda de Francia, Austria, Malta, Eslovaquia y Eslovenia y dos la de Italia, España, Portugal y Chipre.
El País lo titula: "Standard & Poor's da un hachazo a la solvencia de los países de la eurozona".
En El Mundo el titular es: "El BCE sobre la rebaja de la nota: 'S&P nos ha dado un golpe arrollador'
En La Vanguardia: "S&P rebaja dos escalones la deuda española y quita la 'triple A' a Francia"
En su editorial "La descalificación" que aparece en la página 26, con letra pequeña El País dice: No por advertida, la rebaja deja de ser significativa. Pero también resulta muy contradictoria. ... Porque se produce justo en dirección contraria a la señalada por los mercados de deuda, que en las últimas cuatro jornadas venían abaratando considerablemente el coste de bonos y letras de dos países afectados, Italia y España, ... Todo apunta a un oportunismo por el que parece que la agencia quiera corregir el embrionario optimismo de los mercados, más que servirles de referencia objetiva.


¿Cómo es posible que las agencias de calificación americanas manipulen los mercados para dirigir la economía mundial?


¿Cómo es posible que los gobiernos (en este caso europeos) acepten esa manipulación?


¿Cómo es posible que no se desenmascare a los poderes fácticos que están detrás de todo esto?


¿Cómo es posible que no sea la manipulación de los mercados la noticia de primera plana de los periódicos?

Juan Rojas