NUSGREM Asociación Nacional de Estudiantes Universitarios de Ciencias Físicas

Los fractales de la física

¿Qué pasa cuando la física no tiene respuestas?

El puzle de la humanidad nunca ha estado tan cerca de completarse. La ciencia, ergo la física, siempre ha sufrido y sufrirá la incesante búsqueda que la sed de respuestas del ser humano ha propiciado; una sed fractal, esta es, que en los bordes de cada pieza de conocimiento encuentra nuevos desafíos para el ingenio.

Sea por motivos de progreso o necesidad, la física se basa de forma eficiente en una humanidad infantil que reside en el interior de toda persona. Esta infantilidad nos brinda el retrato de la primera etapa que cualquier mente recorre en sus primeros años de vida:  la curiosidad, la imitación y el aprendizaje, ¿y no es pues toda ciencia, en su raíz de ser, no más que estos tres primeros pasos? Dudamos del funcionamiento de la realidad, para posteriormente representarla con instrumentos lógicos, y terminamos construyendo una nueva descripción. Somos luz, cámara y acción.

Las piezas de la realidad las organizamos en un orden que podemos comprender; sin embargo, esa naturaleza fractal de los bordes de conocimiento presentan un contraste particular ante la aparente planitud de nuestro puzle. La física es humilde y cuidadosa en su camino, pero no escatima en arrastrar pequeños granos de arena en el fondo de sus zapatos; es por ello por lo que, en ciertas ocasiones, llega a incógnitas pendientes que, aunque no entorpecen su camino, se sienten a cada paso que se da. Las piezas, al fin y al cabo, siempre son diferenciables del todo cuando lo observamos con atención y descubrimos las calculadas fronteras, carceleras de inconclusiones y paradojas; pozos de nuestra realidad descrita. Madrigueras.

La física nulo interés ha puesto en los conejos – más bien lo ha hecho hacia los gatos – pero nadie dijo que necesitaremos buscar sus madrigueras para entrar al País de las Maravillas.

El problema de la Constante Cosmológica (Λ)

El problema de la física  con la Constante Cosmológica (también llamado catástrofe del vacío) hace referencia a la diferencia entre los valores observados y teóricos de la densidad de energía del vacío. Para entender la complejidad del problema tendremos que adentrarnos en el origen de la constante cosmológica.

La constante cosmológica aparece por primera vez cuando se publican las ecuaciones de campo de Einstein en 1915. Estas ecuaciones, expresadas en forma tensorial como una única ecuación, relacionan la curvatura espacio-tiempo local con la energía y el momento en dicha localidad. En otras palabras, relacionan la presencia de materia con la curvatura del espacio-tiempo: “La materia le dice al espacio-tiempo como curvarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.”

(Ecuación de campo de Einstein, donde g es el tensor métrico, R es el tensor de curvatura de Ricci, T es el tensor energía-momento, R es el escalar de curvatura y Λ es la constante cosmológica)
(Ecuación de campo de Einstein, donde gμν es el tensor métrico, Rμν es el tensor de curvatura de Ricci, Tμν es el tensor energía-momento, R es el escalar de curvatura y Λ es la constante cosmológica)

La constante cosmológica fue introducida por Einstein en su ecuación original como un valor que contrarrestaría la fuerza gravitatoria ejercida por materia del universo, con el objetivo de que la solución de la ecuación condujera a un universo estático. Esto sería denominado por muchos como el mayor error de la vida de Einstein, puesto que posteriores observaciones realizadas por Hubble relacionadas con el corrimiento al rojo de las galaxias indicaron que el universo no es estático, sino que se expande. Además, Eddington de forma paralela demostraría años más tarde la naturaleza inestable de un universo estático.

Pero… ¿qué conocimientos nos aporta esta constante?

Variación de la curvatura del Universo a través de la constante cosmológica

Así, la introducción de la constante cosmológica supuso la formulación de una pregunta fundamental: ¿Cuál era la naturaleza de nuestro universo? ¿a qué ritmo se expandía? Aunque las ecuaciones de Einstein modulaban de manera excepcional el universo a menor escala, desde la teoría de la relatividad general, aún no se conseguía modelizar correctamente la expansión acelerada del universo. Al resolver las ecuaciones para la energía del vacío – término que hace referencia a la energía que se encuentra en todo punto del espacio de mismo valor en cualquiera – se encontraron con un valor de la densidad energética muy diferente al valor observado de la constante cosmológica, una diferencia que se teorizaba muchos órdenes de magnitud más pequeña. ¿Cómo podía ser esto? Se había descubierto una brecha indescifrable.

Concretar el valor de la constante cosmológica implicaría conocer una característica fundamental del tipo de universo en el que vivimos; algo fundamental para mejorar nuestro entendimiento de este. Esto no ha resultado ser tarea fácil, lo que ha supuesto que el problema siga abierto. Se han planteado diferentes valores para la constante cosmológica que encajen de forma teórica, pero aún se desconoce su valor correcto.

La respuesta final a este dilema nos mostrará el futuro de nuestro universo, ¿frenará este su expansión, o continuará hasta el fin de los tiempos? Como fractal sin resolver, ¿te atreverías a entrar en él?

El fluido real y el sexto problema del milenio

La ecuación de Navier-Stokes es posiblemente la ecuación de Física de fluidos más famosa e importante, ya que describe, basándose en las Leyes de Newton, el movimiento de los fluidos reales o viscosos. Se deduce a partir del principio de conservación del momento.En su relación encontramos la densidad del fluido (⍴), el vector velocidad (v ⃗) y gravedad (g ⃗), la presión hidrostática (p) y los parámetros de viscosidad dados por eta (𝜂) y zeta (𝜁).

En su relación encontramos la densidad del fluido (⍴), el vector velocidad (v) y gravedad (g), la presión hidrostática (p) y los parámetros de viscosidad dados por eta (𝜂) y zeta (𝜁). Su resolución se basa en el empleo de ciertas condiciones iniciales, conociéndose la solución para casos particulares.

Estas soluciones, aunque incluyendo turbulencias, son muy utilizadas, ya que conocer el comportamiento de un fluido viscoso tiene innumerables aplicaciones: desde el estudio de flujo entre dos láminas infinitas hasta la predicción del comportamiento atmosférico o de las corrientes oceánicas. Para condiciones iniciales no ideales o no tan sencillas el caso es el contrario, puesto que son ecuaciones en derivadas parciales altamente no lineales, que acoplan derivadas temporales y espaciales de las magnitudes hidrodinámicas.

 

¿Y cuál es la incógnita de tan demandada ecuación?

Los fluidos guardan un secreto en los modelos que hemos conseguido descifrar en su respectivo estudio, puesto que todavía no se tiene un entendimiento teórico completo de las soluciones obtenidas. El problema con los fluidos; el problema del milenio consiste en hallar una demostración que pruebe la “suavidad” de las soluciones – que sean infinitamente derivables – para cualquier condición inicial que se imponga.

A día de hoy, no se ha encontrado demostración alguna que cumpla los requisitos o contraejemplo que demuestre lo contrario, y que complete así el entendimiento de la ecuación de Navier-Stokes. Formalmente, es un problema más matemático que físico, aunque su solución tendrá aplicaciones importantes en la física. Al fin y al cabo, las matemáticas son la mayor herramienta de la física para descubrir el mundo que nos rodea, y de alguna forma, este problema del milenio nos recuerda la unión que existe entre ambas.

Se sospecha que será necesario crear una nueva forma de hacer matemáticas para resolverlo. Un nuevo dialecto que emplear en el extenso lenguaje del universo que son las matemáticas, que nos enseñará a comprender las canciones que la realidad nos recita; y seremos honestos, ¿quién no quiere escuchar una buena canción?

La paradoja de Fermi y el gran filtro, ¿dónde está todo el mundo?

En el verano de 1950, un hombre se hizo una pregunta que aún hoy sigue rondando en las mentes de físicos y curiosos de todo el planeta: ¿dónde está todo el mundo? Nace, así pues, la paradoja de Fermi, que no es tanto un problema de la física como un problema humanístico.

Si es posible que exista una forma de vida de alguna forma similar a nosotros en un exoplaneta, ¿dónde está? ¿no tendríamos que habérnosla encontrado ya? Esta es la duda paradójica que planteó Fermi, convirtiéndose en uno de los mayores enigmas dentro de la física del espacio y la astrobiología, y cuya respuesta se ha resistido a materializarse aún hasta nuestros días.

Con los años han surgido diversas teorías que dicen resolverla, pero ninguna de ellas se considera una explicación suficientemente consistente. Las teorías especuladoras sirven de poco más de lo que serviría un cuento antes de dormir. Siempre será más accesible para la mente humana aceptar afirmaciones, aún sin probar, que de negar un conocimiento ya adquirido. Es por ello que solo ciertas teorías que discuten la vida exterior de nuestro planeta caen en el conjunto que se puede calificar de científico. Una de estas teorías es la Teoría del Gran Filtro.

La teoría del Gran Filtro y sus consecuencias

¿Estamos solos?

Para conocer la Teoría del Gran Filtro, será útil definir un contexto hipotético en el que existiera una especie similar a nosotros, que posea la capacidad de emitir un mensaje al exterior de su sistema planetario o galaxia. Dicho contexto no es del todo descabellado. Teniendo en cuenta que nosotros estamos aquí, lo más lógico sería pensar que más planetas pudieran albergar especies parecidas a la nuestra.  Además, la Tierra es relativamente joven – aún más la raza humana – por lo que también extrañaría que fuéramos la primera raza inteligente en todo el universo desde su origen. Lo más intuitivo es pensar que ya tendríamos que haber sido colonizados por extraterrestres y, sin embargo, parece que aún estamos solos. De hecho, hace años que mandamos señales de radio al exterior sin respuesta alguna. ¿Acaso nadie se interesa por el planeta Tierra? ¿Somos, en contra de las probabilidades, la primera especie capaz de comunicarse con el exterior? ¿Hay algún motivo que desconocemos por el cuál ninguna otra especie quiere “hacer ruido”? Con la soledad con la que el silencio del espacio nos maldice, el ser humano se pregunta, ¿dónde está todo el mundo?

Aunque parezca mentira, la respuesta más “coherente” que se ha resuelto para esta gran pregunta es muy simple: somos extremadamente raros. Es decir, sí, existe la posibilidad de contactar con una forma vida externa al Sistema Solar, pero la probabilidad de que esa forma de vida esté ahí y/o de que nosotros podamos llegar a ella es tan pequeña que ninguna especie en todo el universo lo ha conseguido aún. Ahí está la clave de la Teoría del Gran Filtro.

¿Cómo diseñamos un filtro para algo tan grande cómo la concepción de la vida?

¿Qué paso es tan difícil de alcanzar que nadie lo ha logrado en casi 14.000 millones de años? La idea de los “pasos” o situaciones que deben darse para que una especie logre la colonización del universo observable es objeto de discusión. Existen muchos puntos de vista: hay quienes consideran necesarios más – o menos – pasos, o incluso utilizan criterios radicalmente distintos. El más extendido consta de 9 fases, desde la existencia de un sistema planetario apto para albergar vida, hasta la capacidad de la especie para colonizar planetas exteriores a este. Así, trasladamos la pregunta a dónde está el filtro que imposibilita a las civilizaciones avanzar para colonizar el universo observable y, por tanto, en nuestro caso llegar hasta el planeta Tierra.

Llegados a este punto, para nosotros como especie, solo existen dos opciones. La primera opción sería que ya hayamos dejado atrás este gran filtro, lo que implicaría nuestra rareza como especie e incluso nuestra definitiva soledad en el universo, llegando a jamás encontrar vida más allá del Sistema Solar. Esto puede parecer decepcionante, pero la segunda opción no es mucho más alentadora: no haber pasado aún el gran filtro significa que ha habido y hay miles de millones de civilizaciones similares a nosotros. Sin embargo, hay algo, aún desconocido para nosotros en ese caso, que ha impedido a toda especie llegar más allá.

Significaría que, para la raza humana, el Gran Filtro aún está por venir.

Ondas gravitacionales y el espaciotiempo … ¿¡curvándose?!

El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) es un instrumento de vanguardia diseñado específicamente para detectar ondas gravitacionales. Estas ondas gravitacionales son perturbaciones en la curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas, alejándose del origen del evento que las causó. En términos más simples, se podrían llamar “pliegues en el espacio-tiempo”, o tomándonos una licencia más poética, “arrugas en la realidad”. Fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein hace más de un siglo, y llevan intentando detectarse desde entonces.

La detección de estas ondas gravitacionales abre una nueva ventana al universo, proporcionando una alternativa a la astronomía electromagnética clásica para estudiar elementos del cosmos. La astronomía de ondas gravitacionales complementa a la más tradicional, permitiendo a los científicos obtener una imagen más completa de los fenómenos cósmicos. Podemos así estudiar eventos cósmicos muy violentos, como la fusión de agujeros negros o las colisiones de estrellas de neutrones, al ser eventos masivos como estos la principal fuente de ondas gravitacionales lo suficientemente fuertes como para ser detectadas en la Tierra, a pesar de las enormes distancias que nos separan de ellos. Por ejemplo, gracias a estas ondas podemos estudiar la muerte de las estrellas.

¿Y cuál es el problema para medir estas ondas?

En 2015, LIGO detectó las primeras ondas gravitacionales solo 48 horas después de su puesta en marcha. Este descubrimiento fue tan significativo que los responsables, los físicos Rainer Weiss, Kip Thorne y Barry Barish, recibieron el Premio Nobel de Física en 2017. Lo recibieron porque detectar ondas gravitacionales es desafiante. Requiere medir distancias menores al diámetro de un protón, de 10e-19 metros. LIGO, un interferómetro en forma de “L” con brazos de 4 km, necesita precisión extrema. Para lograrla utilizan técnicas cómo limitar la velocidad de los vehículos cercanos a 16 km/h para minimizar las vibraciones. Se están realizando mejoras para reducir el ruido cuántico, un fenómeno que ocurre en el “vacío” del espacio, cómo comentamos anteriormente. Este ruido es el resultado de las fluctuaciones cuánticas, cambios aleatorios en la energía que ocurren en escalas muy pequeñas, incluso en el vacío.

¿Es LIGO el único detector de este tipo que existe?

Existen otros instrumentos similares a LIGO, como el Observatorio Livingston en Luisiana y el Observatorio Hanford en Washington, ambos en los Estados Unidos. Ambos observatorios tienen brazos de 4 km de longitud, al igual que LIGO. Además, se está planeando un observatorio espacial, llamado LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser). Este observatorio espacial aumentará la precisión para detectar este tipo de ondas gravitacionales directamente fuera de la atmósfera terrestre. LISA será una misión de la Agencia Espacial Europea, y se espera que sea lanzada en la década de 2030.

En resumen, la detección de ondas gravitacionales es una de las fronteras más emocionantes de la astronomía y la física actual. A medida que los instrumentos como LIGO y LISA continúan mejorando, podemos esperar aprender mucho más sobre el universo en el que vivimos. Gracias a las ondas gravitacionales, quizás logremos encajar las piezas de un universo a la par caprichoso con sus secretos, pero generoso y paciente con las respuestas.

“And everything under the sun is in tune, but the sun is eclipsed by the moon.”

No recordamos nuestro primer acierto. Es un hecho, y no hay miedo a reconocerlo: los primeros logros que tenemos al llegar a la faz de la Tierra jamás los recordamos. Tendemos a huir de las respuestas vacías, posteriores a un dilema planteado, y una pregunta nace junto a una lucha por respuesta, que se cimentará a su vez por infinitas antecesoras.

La lucha del ser humano por el conocimiento sortea en su calculado baile los infinitos vacíos a los que las preguntas, traidoras a su sentido de existir, tratan de arrastrarnos a un universo impredecible, a fluidos de juguetona naturaleza, a un tímido espacio y tiempo. A un universo solitario.

Por encima de todas las amenazas del conocimiento, de toda respuesta que encierre miles de preguntas adicionales en su interior, el ser humano – su curiosidad e ímpetu – se alza valiente entre el mar de vacías respuestas. Somos dueños de nuestro propio universo porque estamos dispuestos a hablar su lenguaje. Y lo hablaremos al completo.

¿Y qué queda por hacer, por responder? No. La física nunca trató de responder. La física trató de preguntar: estamos interrogando al universo y se seguirá desvelando hasta que nuestra sed escape de fronteras fractales. Es tu turno de preguntar.

Dejar un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Información básica sobre protección de datos
ResponsableAsociación Nacional de Estudiantes Universitarios de Ciencias Físicas - NUSGREM +info...
FinalidadGestionar y moderar tus comentarios. +info...
LegitimaciónConsentimiento del interesado. +info...
DestinatariosAutomattic Inc., EEUU para filtrar el spam. +info...
DerechosAcceder, rectificar y cancelar los datos, así como otros derechos. +info...
Información adicionalPuedes consultar la información adicional y detallada sobre protección de datos en nuestra página de política de privacidad.

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.

Una idea sobre “Los fractales de la física”

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.plugin cookies

ACEPTAR
Aviso de cookies