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CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

Entradas etiquetadas como ‘Einstein’

Un viaje en el tiempo en busca de la luz

Por Mar Gulis (CSIC)

La luz, un fenómeno fundamental para el desarrollo de la vida en nuestro planeta, ha sido y es algo fascinante para los seres humanos, además de una importante fuente de inspiración en diversos campos como la pintura, la poesía o el arte en general, así como en diferentes disciplinas científicas.

¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla. 22 de diciembre de 2015 a las 18 horas.

‘¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla’. 22 de diciembre de 2015 a las 18 horas.

Desde fenómenos lumínicos espectaculares como los amaneceres y las puestas de Sol, los arcoíris, las auroras boreales, etc., hasta utilizaciones concretas como los rayos láser, los telescopios o las conexiones ópticas, lo cierto es que la luz y sus características no han dejado de resultar enigmáticas y sorprendentes. Así, la ciencia lleva siglos cuestionándose qué es la luz, en qué consiste la propia naturaleza de este fenómeno físico tan cotidiano y cuáles son sus posibles aplicaciones.

Es prácticamente inimaginable concebir una vida sin luz y sin todas las utilidades que provienen de ella y que facilitan la existencia en casi todas las actividades humanas. Por ello, el 20 de diciembre de 2013 la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamaba 2015 como ‘Año Internacional de la Luz y de las tecnologías basadas en la luz’, con el objetivo de comunicar a la sociedad y poner de relieve la importancia que de la luz en áreas tan importantes como la energía, la educación, la salud, las comunicaciones, etc.

Hoy martes 22 de diciembre, a las 18 horas, en el salón de actos del CSIC en la calle Serrano, 117 (Madrid), el CSIC aprovecha los días de ocio de las vacaciones navideñas para invitar a jóvenes y mayores a participar en la actividad ‘¡Nos han robado la luz! Viaja en el tiempo con nosotr@s para recuperarla’. Con este título, un grupo de investigadores del Instituto de Óptica Daza de Valdés del CSIC pone en marcha la segunda edición de Ciencia en Navidad con una actividad de divulgación científica teatralizada para toda la familia.

Si la física cuántica protagonizaba la primera edición del evento (2014) con la sesión ‘¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?’, la actividad de este año nos invita a trasladarnos a diferentes épocas, desde la Antigua Grecia hasta el futuro, para recuperar la luz y comprender sus propiedades. De este modo, Alba, una joven científica, hará un viaje en el tiempo y preguntará sobre la naturaleza de la luz a Herón de Alejandría, Newton, Huygens, Maxwell y Einstein, personajes excepcionales de este cuento de Navidad que desfilarán por escena respondiendo a las preguntas con entretenidos y vistosos experimentos lumínicos de diversa índole.

De un modo lúdico y teatralizado, en esta actividad divulgativa para todas las edades se tratarán aspectos como las leyes de reflexión, los fenómenos de absorción, emisión, refracción. Se abordará la discusión fundamental entre Newton y Huygens, en la que el primero defendía la naturaleza corpuscular de la luz, y el segundo su naturaleza ondulatoria (más tarde el físico francés De Broglie descubrirá que ambos llevaban razón). La luz como onda electromagnética, la polarización, la energía o los láseres, son otros contenidos que pasarán por esta segunda edición de Ciencia en Navidad.

Algunos de los protagonistas de ‘¡Nos han robado la luz!’ (Juan Diego Ania, Rebeca de Nalda, Pedro Corredera y Javier Solís) lo explican así en el siguiente vídeo. La obra también contará con la participación de Javier Portilla y Jaime Pérez del Val.

 

Para más información sobre la luz y sus propiedades, puedes visitar aquí la exposición ‘Un universo de luz’, así como sus unidades didácticas asociadas y diez fichas de experimentos.

El “espeluznante” error de Einstein

Por Mar Gulis (CSIC)*

Una de las ideas más desconcertantes de la mecánica cuántica, la disciplina que estudia el comportamiento de la materia a escala microscópica, es la superposición de estados. Todas las partículas pequeñas –como los electrones o los átomos– pueden estar en varios estados a la vez. Es la acción de medir algún parámetro (velocidad, posición, etc.) la que rompe la superposición y lleva a la manifestación de un estado determinado.

Einstein-Bohr

Einstein y Bohr fotografiados en 1925.

Este planteamiento tan poco intuitivo, pero basado en numerosas evidencias, nunca terminó de convencer a Albert Einstein (1879-1955). El creador de la teoría de la relatividad se negaba a aceptar, por ejemplo, que un electrón pudiese estar en varios puntos a la vez y que fuese el intento de medir su posición lo que lo ‘fijara’ en uno de ellos. El electrón debía estar en un único punto antes de la medida. De ahí su célebre frase: “Dios no juega a los dados con el universo”. Y de ahí también la famosa réplica de su colega Niels Bohr (1885-1962), uno de los ‘padres’ de la mecánica cuántica: “Deje de decirle a Dios qué hacer con sus dados”.

Einstein no dudaba de que las observaciones y la formulación de esta disciplina eran correctas, pero pensaba que su indeterminismo hacía de ella una teoría incompleta. Una de las críticas más elaboradas que le dedicó se conoce como la paradoja EPR, así llamada por el nombre de sus autores: el propio Einstein, Boris Podolsky (1896-1966) y Nathan Rosen (1909-1995).

La paradoja proponía un experimento imaginario en el que, a partir de un fenómeno conocido y controlado, se creaban dos partículas (A y B) correlacionadas de tal forma que si una tenía el espín –la ‘dirección’ en la que las partículas giran sobre sí mismas– hacia arriba (giro a favor de las agujas del reloj), la otra debía tenerlo hacia abajo (giro en contra de las agujas del reloj). Sin embargo, de acuerdo con el principio de superposición, tenemos que suponer que tanto A como B tienen su espín hacia arriba y hacia abajo hasta el momento de la medición. Por tanto, al medir A no solo estaríamos ‘obligando’ a su espín a asumir una dirección determinada, sino que también estaríamos provocando que el espín de B adoptase la contraria. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, este entrelazamiento o correlación (como se denominó el fenómeno con posterioridad) debería mantenerse por más alejadas que estuvieran A y B.

Entrelazamiento

Matthias Weinberger

Esta conclusión chocaba con la teoría de la relatividad, según la cual nada puede viajar más rápido que la luz. Si A se queda en la Tierra y B viaja hasta Alfa Centauri, a más de cuatro años luz, ¿cómo una medición en A puede afectar a B inmediatamente? O bien la mecánica cuántica estaba incompleta o bien había que aceptar la existencia de una “espeluznante [o fantasmal] acción a distancia”; una comunicación instantánea entre A y B.

La paradoja EPR quedó en el terreno de la filosofía de la ciencia hasta que en 1964 John Bell (1928-1990) propuso una forma matemática para resolverla. No obstante, hubo que esperar hasta los años 80 para que Alain Aspect (1947) y sus colaboradores lograsen trasladar al laboratorio la propuesta de Bell de forma satisfactoria. Los experimentos dieron la razón a la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la acción a distancia son parte del mundo microscópico. Y aquí tenemos una de las diferencias entre la teoría de la relatividad y la cuántica que hace tan difícil unificarlas: si la primera es una teoría local, porque la velocidad de la luz es finita y los fotones necesitan un tiempo para ir de un sitio a otro, la segunda es no local, lo que hace que la acción de una perturbación pueda transmitirse instantáneamente de un sitio a otro muy alejado.

El genial Einstein se equivocó en esta ocasión. Sin embargo, su error resultó enormemente fructífero, pues condujo a verificar la existencia de un fenómeno con amplio potencial de aplicaciones. El entrelazamiento es la base del desarrollo de tecnologías cuánticas que previsiblemente transformarán el mundo tal y como lo conocemos hoy en día. Ordenadores cuánticos mucho más potentes que los actuales, nuevos métodos de encriptación práctiacamente inviolables y hasta la teletransportación de partículas microscópicas son solo algunas de ellas. Te las contaremos en próximos posts.

 

* Si quieres más ciencia para llevar sobre este tema, consulta el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), del investigador del CSIC Salvador Miret.

El universo es un globo que se hincha a toda velocidad

Balloon-AnalogyPor Mar Gulis

Una de las mejores imágenes para representar la expansión del universo es la de un globo que se hincha. Si sobre la superficie de este globo marcamos previamente unos puntos con tinta, veremos que los puntos no se mueven con respecto al globo, sino que la ‘cantidad de globo’ entre ellos aumenta a medida que lo inflamos. En el caso de que pudiéramos anclar observadores en las marcas, estos verían cómo se alejan mutuamente entre sí a velocidades proporcionales a su distancia, por más que ellos no gasten ninguna energía en moverse.

Las galaxias se parecen a estos puntos: flotan como objetos inertes en el espacio, pero se alejan entre sí arrastradas por el propio crecimiento de la ‘cantidad’ de espacio. Por esta razón no se puede hablar de un centro del universo, como no se puede hablar de un país que esté en el centro de la superficie terrestre.

Resulta muy fácil observar marcas en un pequeño globo desde fuera, pero en el caso de nuestro universo estamos situados dentro de algo que, por lo demás, es enorme. ¿Por qué entonces sabemos que las galaxias se alejan entre sí?

Como explica el físico del CSIC José Luis Fernández Barbón, para entenderlo hay que tener en cuenta que en la teoría de Einstein una expansión del espacio conlleva un ‘estiramiento de las ondas de luz que lo atraviesan. En consecuencia, si intercambiamos señales de luz entre dos galaxias que se alejan, la longitud de onda en recepción tiene que ser mayor que en emisión. Cuanto más tiempo dura el viaje de los fotones, más estiramiento sufrirán.

Ondas

Este efecto se parece al cambio de agudo a grave en el sonido de un tren que pasa por nuestro lado a gran velocidad (el llamado efecto Doppler). En astronomía se llama corrimiento al rojo cosmológico, un concepto clave para determinar las distancias de las galaxias lejanas: cuanto más rojas se ven, más lejos están y más rápido van. Esto es así porque en el espectro visible el rojo se corresponde con mayores longitudes de onda.

Corrimiento al rojo

Cuanto más lejos están las galaxias (eje vertical), mayor es la longitud de onda medida en nanómetros (eje horizontal) y, por tanto, más rojo se aprecia su espectro.

Estudiando el espectro de las galaxias podemos deducir a qué velocidades se alejan. Si nos fijamos en el cúmulo de Virgo, a una distancia media de 50 millones de años luz, veremos que todas se alejan de nosotros a velocidades entre 1.000 y 2.000 kilómetros por segundo. Y en el supercúmulo de Coma Berenice, a 300 millones de años luz, las velocidades oscilan entre 7.000 y 8.500 por segundo.

El corrimiento al rojo cosmológico ocurre con todas las galaxias, salvo las situadas en nuestro cúmulo local, como Andrómeda. En este caso, el desplazamiento del espectro se produce hacia el azul, lo cual quiere decir que, en lugar de alejarse, se acerca a nosotros a una velocidad de 60 kilómetros por segundo. Eso significa que dentro de 4.000 millones de años Andrómeda y la Vía Láctea se fusionarán, pero eso es otra historia…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la expansión del universo y el corrimiento al rojo consulta el libro Los agujeros negros (CSIC-Catara), de José Luis Fernández Barbón, la web de divulgación sobre astronomía NASE y la web de Henrietta Leavitt del Instituto Astrofísico de Andalucía (CSIC).

Pero entonces… ¿qué es la luz?

José Vicente García Ramos (CSIC)*JV García Ramos

2015 es el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz, proclamado por la ONU con el objetivo de comunicar a la sociedad la importancia de la luz y sus tecnologías asociadas, en áreas como la energía, la educación, la salud, las comunicaciones, etc.

Pero… ¿Qué es exactamente la luz? Se atribuye a Euclides, alrededor del año 300 a.C., el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz, aunque no fue hasta el siglo XVII cuando, por una parte, el genial científico inglés Isaac Newton (1642-1727) y, por otra, el matemático holandés Cristian Huygens (1629-1695), desarrollaron dos teorías contrapuestas sobre la naturaleza de la luz. Newton propu­so una teoría corpuscular, mientras que Huygens suponía que era un fenómeno ondulatorio.

Jhong Dizon / Flickr

Jhong Dizon / Flickr

Para Newton la luz estaba formada por un haz de par­tículas microscópicas que denominó corpúsculos. La idea no era mala. De hecho, los rayos de luz viajan velozmente en línea recta como lo hacen los proyectiles, y cuando se encuentran un objeto, se comportan de forma no muy di­ferente a como lo hace una bala cuando rebota. Incluso lle­gó a explicar el fenómeno de la refracción, ya que la luz se refractaría, es decir, cambiaría de dirección al pasar de un medio a otro por la diferencia de velocidad de transmisión en los dos medios, como le ocurre a una pelota cuando se hunde en un hipotético tarro gigante de mermelada.

No obstante, lo realmente difícil era explicar, desde el punto de vista de los corpúsculos, otras propiedades de la luz como la difracción y las interferencias, característi­cas ambas de las ondas. De hecho, después de Newton, la consideración de la luz como una onda comenzó a abrirse camino, ya que parecía tener mucho en común con las on­das del sonido en el aire o las olas del agua del mar o de los lagos.

En realidad, la teoría más consistente era la que supo­nía Huygens, pero el gran prestigio del que gozaba Newton mantuvo la teoría ondulatoria arrinconada durante más de un siglo, hasta que los experimentos de Thomas Young (1773-1829) y Auguste Jean Fresnel (1788-1827) la co­rroboraron ya en el siglo XIX. Esto ha sucedido en bas­tantes ocasiones; las grandes figuras científicas consiguen importantes avances, pero pueden actuar como rémoras en nuevos descubrimientos. Aunque, en este caso, el tiem­po y el desarrollo de la mecánica cuántica le devolvieron a Newton parte de la razón: la luz es un fenómeno ondula­torio, está formada por ondas electromagnéticas, pero a su vez puede considerarse formada por pequeñas partículas de luz (cuantos) llamadas fotones. De esta doble naturale­za corpuscular y ondulatoria gozan todas las partículas y ondas.

Actividad en el Instituto de Óptica del CSIC durante la Semana de la Ciencia 2014.

Actividad del IOSA en el Instituto de Óptica (IO) del CSIC en la Semana de la Ciencia 2014. Juan Aballe/CSIC

Pero esto no es verdad del todo. Tanto las ondas en el agua como las ondas del sonido necesitan un material para formarse. Los físicos de la época asumieron que había un medio invisible y delgado, al que llamaron “éter luminífe­ro”, que impregnaba el universo, por lo que consideraban que las ondas luminosas eran oscilaciones dentro de esta sustancia. Pero, en 1887, Albert Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) montaron un experimento que no llegó a buen fin porque la hipótesis de partida era falsa, ya que no exis­tía ningún éter. Sin embargo, hay que pensar que la cosa no fue tan mal, pues existen algunas ondas que no necesitan un medio para propagarse, como aseguró Einstein en su teo­ría de la relatividad especial. En efecto, la velocidad de la luz siempre se puede medir sea cual sea el marco de refe­rencia que se elija, incluso en el vacío. De hecho, la veloci­dad de la luz en el vacío, c, es una constante universal, lo cual nos lleva a la conclusión de que la luz es una onda, pero tan especial que no necesita un medio para propagarse.

Al mismo tiempo, durante esos mismos años, los cien­tíficos comenzaban a estudiar el efecto fotoeléctrico que consiste en que, cuando la luz incide sobre ciertos obje­tos, estos liberan electrones. En principio, la teoría ondu­latoria de la luz podía explicar muy bien este efecto, ya que entre las características de las ondas está su capacidad para transportar y transferir energía. Pero los problemas comienzan cuando entramos en detalles. Si aumentamos la intensidad de la luz, se emiten más electrones, pero no cambia la energía de cada electrón. Por el contrario, si lo que aumentamos es la energía de la luz utilizada, esto es, utilizamos una luz más azul, la energía de cada electrón liberado aumenta, y aunque la intensidad de dicha luz sea baja, los electrones emitidos no tienen menos energía, lo único que ocurre es que se van liberando más lentamente.

Otra actividad del IO-CSIC

Otra actividad del IOSA en el IO-CSIC. Juan Aballe/CSIC

Estos resultados hicieron que Einstein pensara que la teoría ondulatoria no era lo bastante acertada como para describir la luz. Su propuesta fue que la luz está formada por fotones, cada uno de ellos con una energía específica que depende de la frecuencia de la luz. Los fotones chocan con los electrones de un material y los expulsan mientras les transfieren una energía igual a la energía del fotón me­nos la energía necesaria para liberarlos del material.

Esta teoría explicaba perfectamente el efecto fotoeléc­trico: una mayor intensidad de la luz significa más fotones, no más energía por fotón, que liberan más electrones, pero no con más energía por electrón. De hecho, Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico, no por la teoría de la relatividad.

Entonces, después de todo, ¿la teoría de los fotones es la buena? Y, si es así, ¿qué pasa con el comportamiento ondulatorio de la luz? La respuesta, quizá inesperada, es que la teoría de los fotones todavía es errónea. A pesar de la descripción de los fotones como partículas que arrancan electrones de un material, los fotones no son partículas. No tienen funciones de onda mecano-cuánticas ni tampo­co tienen asignadas posiciones, ni siquiera en el cambiante sentido mecano-cuántico que dice que, por ejemplo, un protón tiene asignada en cada momento una posición.

Lo adecuado es decir que un fotón es un objeto mecano-cuántico que no es una onda ni una partícula. Evidentemente, esta conclusión no es del todo satisfactoria. Es mu­cho más fácil explicar la naturaleza de la luz en términos que nos resulten familiares, con experiencias cotidianas de ondas y de partículas, pero, al hacerlo, perderemos muchas de sus propiedades. A modo de resumen, podemos decir que la consideración de la luz como una onda puede expli­car en general sus propiedades macroscópicas, mientras que los fotones como partículas componentes de la luz explican muchas de sus propiedades microscópicas. Lo que no tene­mos que olvidar, cuando oigamos hablar a alguien de la luz como onda o como partícula, es que se trata de una aproxi­mación. La naturaleza es mucho más sutil…

* José Vicente García Ramos es investigador del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) y este texto es un extracto de su libro Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar (CSIC-Catarata).

¿Queda algo por contar sobre los agujeros negros?

M. Villar

Por Montserrat Villar (CSIC)*

Se ha hablado y escrito tanto sobre los agujeros negros que, quizás, se podría pensar que es difícil contar algo nuevo e interesante. Sin embargo, hay motivos para afirmar sin dudarlo que aún queda mucho por decir sobre ellos.

Imagen generada por ordenador. Ilustra la distorsión visual que observaríamos en las proximidades de un agujero negro debida a los efectos de la gravedad. / Alain Riazuelo

Imagen generada por ordenador. Ilustra la distorsión visual que observaríamos en las proximidades de un agujero negro debida a los efectos de la gravedad. / Alain Riazuelo

Los agujeros negros siguen siendo objetos misteriosos. Según las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein (enunciada hace unos cien años), toda la masa de un agujero negro está contenida en una zona infinitamente pequeña, no ocupa espacio en absoluto. Se trata de algo tan extraño que desde su predicción, y aún hoy, sigue desafiando a las mentes más brillantes. El propio Einstein afirmó que, aunque la teoría predijera su existencia, no podría haber objetos tan exóticos en el mundo real. Hoy todo parece indicar que existen. Es más, son algo común en el universo.

Contamos con dos teorías exitosas cuando se aplican por separado. Una de ellas es la teoría de Einstein que acabo de mencionar. Da cuenta de manera sublime de la forma en que la gravedad ejerce influencia sobre el movimiento de los planetas, estrellas y galaxias. Describe el mundo de las distancias enormes y las masas gigantescas. Pero no explica, por otro lado, el mundo en las escalas más pequeñas, el de los átomos y las partículas que los forman, aquel en que las masas son diminutas y la gravedad despreciable. Para ello contamos con una teoría diferente y también maravillosa: la mecánica cuántica, que describe cómo funciona la naturaleza en el nivel más fundamental. A su vez, no puede explicar la gravedad, que funciona en escalas de espacio y masas mucho mayores. Ambas teorías, por tanto, aportan visiones parciales de la realidad.

Los intentos de combinar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Eintein se engloban en la llamada teoría de la gravedad cuántica. / CERN

Los intentos de combinar la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad
general de Einstein se engloban en la llamada teoría de la gravedad cuántica. / CERN

En general, la mecánica cuántica y la relatividad general no entran en conflicto porque actúan en ámbitos en apariencia independientes. Sin embargo, existe un escenario en el que ambas deberían ser aplicables: allí donde el tamaño es muy pequeño y la masa gigantesca: los agujeros negros. Pues bien, aquí ambas teorías son incompatibles.

Hay miles de millones de agujeros negros en el universo y, por tanto, miles de millones de lugares donde dos teorías magníficas por separado, dejan de funcionar. Los esfuerzos que durante décadas se han dedicado a formular una teoría (la llamada gravedad cuántica) que unifique la relatividad general y la mecánica cuántica no han logrado el objetivo hasta el momento. Las dificultades son enormes, desde incertidumbres conceptuales en cuanto al tratamiento del espacio y del tiempo, hasta los obstáculos inherentes al diseño de experimentos y observaciones (particularmente en el área de la astronomía, en concreto la cosmología) y, por consiguiente, la escasez de datos que permitan poner a prueba los posibles avances teóricos. ¿Cómo pueden coexistir ambas teorías? No hay muchas preguntas que representen un reto tan grande para el pensamiento científico y filosófico.

Los agujeros negros seguirán dando que hablar durante mucho tiempo, porque son un símbolo de lo que no entendemos y porque son enigmáticos y complicados. El desafío de comprenderlos es formidable y, como consecuencia, mayor es su atractivo.

 

* Montserrat Villar es investigadora en el Centro de Astrobiología (INTA/CSIC) en el grupo de Astrofísica extragaláctica.