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"Si quieres resultados distintos no hagas siempre las mismas cosas" Einstein

Despedida

Siento escribir estas líneas, pero se acabaron las vacaciones de verano y con ellas mi disponibilidad para esta labor divulgativa de la ciencia en el blog.

Agradezco a todos los lectores la deferencia de haberse interesado por alguno de los artículos, hayan dejado comentario o no. A aquellos que me han dado ánimo, les quedo doblemente reconocido.

Hay algunos nombres (posiblemente seudónimos, aunque, tal vez, alguno no) que ya me resultan familiares. Hasta reconozco su forma de escribir. Solo me faltaría conocerlos.

He visto que el interés por estos temas no se circunscribe a científicos e ingenieros, que he comprobado su alto nivel en los comentarios, sino también a otro tipo amplio de lectores sin una formación científica específica, que es a los que iban dirigidos los artículos, como ya he dicho varias veces.

Cuentan que Einstein decía (encabecé el blog con una frase suya y casi voy a terminar con otra, para desesperación de alguno): “No has entendido bien una cosa hasta que seas capaz de explicársela a tu abuelita”.

Esta “abuelita” metafórica ha sido el objetivo que he tenido en mente. Por eso, alguno ha echado en falta algo más de rigor, pero me he mantenido firme en mi objetivo inicial de sacrificar, en caso necesario, el rigor frente a la claridad.

También quiero agradecer a “20 minutos” y, especialmente, a su directora web, Virginia Pérez Alonso, la oportunidad que me ha brindado con esta apuesta que hizo por la ciencia en su visión divulgativa, y su interés en que continuara con esta labor.

Quiero dirigirme, finalmente, a algunos lectores que, por sus comentarios, he deducido que disfrutaban con lo que leían y que, incluso, se interesaban por otros temas. Esto no tiene por qué ser un adiós. Yo estaré siempre encantado de atenderlos o recibir noticias suyas y su afición por la ciencia. Para ello, aprovechen los días que este último artículo esté en la red y pinchen en el encabezamiento donde dice “contacto”, y de esta forma podrán comunicarse directamente conmigo.

Y me despido en términos académicos:

Buen curso 2008-09 a todos.

Luz y sonido

Detectados por el ojo y el oído, respectivamente, presentan analogías y diferencias.

Que ambos se transmiten por ondas, luminosas en un caso y sonoras en otro, podría ser una primera analogía, pero cualquiera sabe que la luz se mueve mucho más deprisa que el sonido, aproximadamente un millón de veces más deprisa. Mientras el sonido lo hace con una velocidad próxima a 1.200 km/h en el aire en condiciones normales, la luz viaja a una velocidad de 300.000 km/s en el vacío (conviene fijarse que aquí se ha utilizado como unidad de tiempo el segundo, no la hora como en el sonido). Todo el mundo sabe que en una tormenta se percibe primero el rayo y luego el trueno, y eso se debe precisamente a esta diferencia en sus velocidades de propagación.

Y aquí hay ya una doble diferencia: la velocidad, por un lado, y la palabra vacío que acabamos de mencionar es otra. La luz se propaga en el vacío, pero el sonido, no. A este respecto se puede realizar un experimento muy vistoso, aunque requiere un pequeño instrumental. Enciérrese en una campana de cristal un timbre y una linterna encendida. A continuación váyase haciendo el vacío y se irá notando como la intensidad del sonido del timbre va disminuyendo, mientras la de la luz no, hasta que llega un momento en que no se percibe el sonido, aunque se ve vibrar el timbre, mientras que la luz de la linterna se ve brillar igual que al principio.

¿Qué ha sucedido? Pues que ha ido desapareciendo la materia (aire) de la campana necesaria para la transmisión del sonido hasta que este desaparece. En cambio, la luz sigue igual que al principio, porque no necesita materia para propagarse. Gracias a esta propiedad percibimos la luz solar, que para llegar a nosotros debe atravesar grandes espacios desprovistos de materia.

La velocidad del sonido se puede superar fácilmente hoy. Existen aviones supersónicos que pueden rebasar varias veces la velocidad del sonido, lo cual nos puede plantear la siguiente pregunta: Si nos movemos en un avión a una velocidad mayor que la del sonido, nuestras palabras que se propagan a una velocidad menor ¿llegarán a nuestro compañero de la butaca de delante?

La respuesta es afirmativa porque el aire dentro del avión está en reposo respecto a nosotros (el aire es arrastrado juntamente con nosotros y a la misma velocidad), así que nuestras ondas sonoras, que se propagan por el aire, llevarán la velocidad de 1.200 km/h respecto de nosotros y de nuestro compañero de delante. Otra cosa sería que el aire no fuera arrastrado por el avión con nosotros. Podemos pensar en un coche descapotable a una velocidad superior a la del sonido, y vamos a quitarle el parabrisas delantero para aceptar que el aire no es arrastrado por el coche. En este caso el coche se mueve a una velocidad mayor que la del sonido, y el aire no está en reposo respecto de nosotros, sino del suelo, o sea, para nosotros se mueve hacia atrás con una velocidad mayor que la de las ondas sonoras originadas por nuestras palabras y, que por lo tanto, no tendrán tiempo de alcanzar a nuestro compañero del asiento delantero, sino que se las llevará el aire hacia atrás.

Y vamos a dejar propuesta una cuestión parecida respecto de la luz, que me han planteado algunas personas. Supongamos que nos encontramos en un avión que se mueve a la velocidad de la luz y en la cola del avión se encuentra una cabina que proyecta una película hacia la pantalla que se encuentra en la parte delantera, ¿podrán ver los pasajeros la película?

Otras personas han planteado la misma cuestión de otra forma: supongamos que nos movemos en un coche a la velocidad de la luz y encendemos los faros del coche, ¿veremos la luz de los mismos?

Para contestar habrá que tener más cuidado, porque al hablar de velocidad de la luz hay que mencionar a Einstein. A vueltas de nuevo con Einstein, pero no hay otra solución a menos que sigamos moviéndonos en la Física clásica y no en la denominada Física moderna, una de cuyas partes es la Teoría de la Relatividad, que nació, puede decirse, de reflexiones sobre la velocidad de la luz.

Einstein explicó muchas veces que la Teoría de la Relatividad surgió de una paradoja que se le presentó a los 16 años cuando se preguntó cómo vería una onda de luz un observador que se moviera a la velocidad de la luz.

Einstein pensaba que las leyes de la Física deberían ser las mismas para ambos observadores, el que estaba moviéndose a la velocidad de la luz y el que estaba en reposo respecto de la Tierra, porque decía:

“¿Cómo podría saber o determinar el primer observador que se encontraba en un estado de rápido movimiento uniforme?

Diez años tardó Einstein en resolver la paradoja y fue el nacimiento de la Teoría de la Relatividad. Según ella, ningún cuerpo material puede superar la velocidad de la luz en el vacío.

Dejaremos planteada la pregunta que, como se, ve está íntimamente relacionada con la cita de Einstein.

La idea más feliz de Einstein

Después del artículo: “La peor idea de Einstein” era obligado seguirle por este título.

El propio Einstein, en una conferencia que impartió en Kyoto, así la denominó y él mismo describió con detalle lo que sucedió en 1907 cuando todavía trabajaba en la Oficina de Patentes de Berna. Según cuenta, se encontraba sentado en su silla y de repente “me sobresalté”, dijo. Pero leamos las palabras que utilizó el mismo Einstein para describir esa idea que le llevó a la Teoría general de la Relatividad:

“[…] el campo gravitatorio […] tiene solamente una existencia relativa. Porque si uno considera a un observador en caída libre, por ejemplo, desde el tejado de una casa, no existe para él campo gravitatorio durante su caída, al menos en su vecindad inmediata

Veamos cómo se puede interpretar esta narración. Y tal vez lo mejor sea recurrir al propio Einstein, que se encargó de divulgar sus teorías con gran maestría. Nos propone uno de sus famosos experimentos mentales a los que era muy aficionado. Nos sitúa imaginariamente en el rascacielos más alto del mundo y nos completa la descripción con un ascensor al que se le rompe el cable de sujeción, y cae libremente.

Para eliminar las fuerzas de rozamiento supóngase que no hubiera aire. Entonces un observador que está dentro del ascensor saca del bolsillo un reloj y un pañuelo y los deja caer. ¿Cuál llegará antes al suelo del ascensor? Pues ninguno llegará al suelo del ascensor hasta que éste choque con tierra firme. ¿Por qué habrían de hacerlo? Todo el ascensor con su contenido están cayendo con la misma aceleración. Esto ya lo demostró Galileo tres siglos antes: en el vacío todos los cuerpos caen con la misma aceleración independientemente de su masa. Así que el ascensor, el observador, el reloj y el pañuelo caen con la misma aceleración y se mueven con la misma velocidad. Por consiguiente, el reloj y el pañuelo se quedarán en la posición del ascensor donde les deposite la mano del observador y no irán al encuentro del suelo del ascensor a menos que los empuje.

De modo que al observador que está en caída libre desde el tejado, mencionado por Einstein, le sucederá lo mismo. Si saca un objeto para ver si cae, comprobará que sigue junto a él al soltarlo.

Después completa Einstein su experimento mental llevando imaginariamente su ascensor a una región del espacio suficientemente alejada de cualquier estrella para que pueda suponerse que no hay campo gravitatorio. Sitúa una anilla en el centro del techo por el exterior de la cual tira hacia arriba con fuerza constante un ser “cuya naturaleza no hace al caso”, añade Einstein con su peculiar sentido del humor.

Si ahora el observador repite el experimento, o sea, saca el reloj y el pañuelo y los deja caer, comprobará que sí llegan al suelo. Acostumbrado al campo gravitatorio terrestre pensará que caen al suelo, porque en el interior del ascensor también hay un campo gravitatorio que los hace caer.

En cambio, el observador exterior (supuesto en un sistema inercial) hace una descripción distinta: el reloj y el pañuelo son alcanzados por el suelo del ascensor que sube con aceleración constante, pero no hay campo gravitatorio dentro del ascensor.

Y prosigue Einstein, dando de nuevo muestras de su sentido del humor: “¿podemos reírnos de él?” (se refiere al observador del interior del ascensor por su interpretación).

No, dirá, su interpretación no viola ningún principio físico ni la lógica. No hay experimento realizado dentro del ascensor, como el que se ha descrito, que permita distinguir la causa (campo gravitatorio o aceleración constante del ascensor hacia arriba). Así pues, estamos en presencia de dos descripciones físicas equivalentes: la realizada desde el sistema del observador interior del ascensor (caja sin aceleración y existencia de campo gravitatorio) y la del observador exterior (ascensor con aceleración constante hacia arriba y ausencia de campo gravitatorio). Es lo que se denomina “principio de equivalencia”, que es el punto de partida de la Teoría de la Relatividad general.

Y la Teoría de la Relatividad general es para muchos la obra maestra de este genio.

A. P. French dice:

“es [el logro] supremo en su originalidad y grandeza intelectual”

y S. Hawking opina que es una de las dos grandes hazañas intelectuales de la primera mitad del siglo.

A los lectores

Enhorabuena a “Juan” por su seguimiento riguroso de los temas y su análisis detallado del problema del bloque de hielo con la bolita metálica y con el corcho. Supongo que es físico o ingeniero o si no, le faltará poco. También a otros varios lectores que se han enfrentado al mismo problema y han realizado una pequeña investigación sobre él.

También quiero añadir, que algunos comentarios al artículo: ¿Por qué no se derrite un iglú? han interpretado la “doble ventana” de la que se habla, como “doble cristal”, y la idea es otra. Se refería la doble ventana a dos ventanas paralelas que se instalan enfrentadas, por ejemplo, en la cara anterior y posterior de la fachada de una casa, y que contiene aire entre ambas, pues basta abrir la ventana interior para que pueda penetrar o salir.

La peor idea de Einstein

Así denominó Einstein en 1931 la idea de introducir en unas ecuaciones de su Teoría general de la Relatividad lo que se conoce con el nombre de constante cosmológica.

Con la Teoría general de la Relatividad había renacido el interés por la Cosmología o estudio del universo en su conjunto. Newton había propuesto un modelo de universo que era infinito y estático. En él había estrellas por todas partes y las fuerzas entre ellas se compensaban y el universo permanecía estático.

A Einstein no le satisfacía la idea de un universo infinito pero sí la segunda de un universo estático. De sus ecuaciones podría obtener el radio de un modelo de universo cerrado, elíptico o esférico. Pero si aceptaba que era finito y mantenía la condición de ser estático, las fuerzas atractivas harían que las estrellas colapsaran unas con otras. Necesitaba una fuerza repulsiva que contrarrestara esa fuerza atractiva. Y ese fue el término que añadió: la constante cosmológica. Un ejemplo sencillo para entender un poco la idea de lo que se está diciendo sería pensar en un globo hinchado con aire. El efecto que produce el aire (evitar que unas partes del globo choquen con otras) sería la función que realizaría la constante cosmológica. Si no hubiera aire en el globo, unas partes colapsarían con otras

Pero en 1931 Hubble descubre su ley (véase el artículo “El fin del universo”) y Einstein después de visitarlo en 1931 sale tan convencido de la expansión del universo, que no duda en lamentar la introducción de su término cosmológico:

“Si, cuando se estableció la Teoría de la Relatividad general, hubiese sido ya descubierta la expansión del universo, jamás se habría llegado a la introducción del término cosmológico”.

Efectivamente, como ya decíamos en el artículo mencionado (“El fin del universo”), no hace falta postular la existencia de una fuerza adicional para evitar el colapso del universo si este se halla en expansión, al menos mientras se encuentre en esa situación.

Parece natural pensar que esa expansión del universo se produzca cada vez con menor velocidad, a medida que vayan actuando las fuerzas gravitatorias de frenado. Pero, al medir esa velocidad, la sorpresa ha sido que, no sólo, no está disminuyendo sino aumentando. Y aquí es donde muchos cosmólogos han pensado en reivindicar la constante cosmológica de Einstein. Proporcionaría una fuerza repulsiva adicional que, unida a la expansión del universo, provocaría una aceleración de la expansión del universo. También se ha postulado la posible existencia de lo que se ha denominado energía oscura (dark energy) que ejercería una presión negativa y una fuerza repulsiva con el mismo objeto.

En definitiva, ¿es posible que hasta cuando Einstein creía que se equivocaba, acertara? Pues esta es la opinión de los cosmólogos actuales.

¿Por qué no se derrite un iglú?

Un iglú es una casita de nieve como las que usan, a veces, los esquimales.

El sentido de la pregunta del título se refiere al hecho de que en el interior del iglú la temperatura puede estar, en ocasiones, en torno a 16 ºC, y la nieve funde, en condiciones normales, a 0 ºC.

También se podría haber planteado la pregunta en forma llamativa, haciendo referencia a que la nieve y el hielo se usan habitualmente para mantener las cosas frías, como los alimentos, y resulta que aquí se usan para mantener el interior del iglú caliente.

Iremos contestando todo.

En primer lugar, fuera del iglú la temperatura es muy baja (por supuesto inferior a 0 ºC); puede ser, por ejemplo, de -30 ºC o -40 ºC.

En segundo lugar, la nieve es un buen aislante (también el hielo, pero peor). Esto significa que transmite mal el calor y el frío, aunque pueda parecer sorprendente. Los poros de la nieve están llenos de aire, y el aire es un mal conductor del calor. Piénsese en los aislamientos térmicos con doble ventana, que contienen aire en su interior.

De todas formas, la nieve para construir el iglú interesa que sea suficientemente compacta, para lo cual, a veces, se pisa y después se corta en bloques como si fueran ladrillos para construir el iglú apoyando unos sobre otros.

Solamente con el calor desprendido por el ser humano se puede conseguir una temperatura en el interior del iglú muy superior a la exterior, porque la nieve de la casita sirve de buen aislante. Pero no solamente produce ese efecto el iglú, sino que también impide que el aire exterior entre en contacto con los habitantes del iglú y les robe más calor.

Con el calor desprendido por cuatro personas y dos lámparas de aceite se puede tener, en muchos casos, una temperatura interior entre 0 y 2 ºC.

Algunos expertos consideran que se pueden obtener 40 ºC de diferencia entre el interior y el exterior del iglú, y algunos estudios concluyen que la cifra de una diferencia de 32 ºC es realista.

En el interior del iglú se puede cocinar y los esquimales, por ejemplo, usan lámparas que queman aceite de foca y ballena, que les sirven para cocinar e iluminar.

El iglú debe tener chimenea para que salgan los humos y gases de la respiración de los seres humanos y penetre oxígeno.

El aire calentado en el interior del iglú experimentará un movimiento ascendente, porque al calentarse se dilata y pesa menos que el aire frío, que bajará. Por tanto, la parte más caliente del iglú es la superior, que se suele destinar a dormitorios, la intermedia para cocinar y en la más baja se suele situar la entrada.

El calor generado en el interior puede derretir alguna capa interior de la pared del iglú, pero se volverá a congelar al entrar en contacto con la nieve más fría.

Estudios de simulación hechos sobre un iglú de 2 m de radio, 0,3 m de espesor con una temperatura en el ambiente exterior de -12 ºC y una sola persona (desnuda) en el interior dieron por resultado que el aire en contacto con la piel mantenía una temperatura muy próxima a la del cuerpo humano, el aire sobre él alcanzaba una temperatura próxima a 17 ºC, pero el resto del aire tenía, en algunas partes, temperatura mucho más baja. La temperatura media de la pared interior del iglú era -2 ºC.

En condiciones estacionarias, el calor que salga del interior del iglú lo atravesará e irá al exterior, sin quedar nada atrapado en la pared del iglú. Por eso no se derrite.

El aire interior del iglú está caliente, el de fuera está muy frío, y el calor va espontáneamente de temperaturas altas a temperaturas bajas. No es lo mismo calor que temperatura. Continuamente el calor estará atravesando la pared del iglú, pero su temperatura no sufrirá variación significativa, es como si tuviéramos una manguera que conectara el interior del iglú, donde hubiera un manantial, y desembocara en el exterior sin dejar nada del agua en la pared del iglú. Lo mismo pasa con el calor

Sobre una pregunta del artículo precedente (“Varía el nivel del agua con el deshielo”)

La referente a la bolita metálica dentro del cubo de hielo, pues las otras ya han sido contestadas bien.

Pista.Supóngase la situación siguiente: la bolita metálica atada por un hilo al cubo de hielo. A continuación, se corta el hilo, la bolita cae y el hielo sube un poco y ¿no bajará entonces el nivel del agua en el vaso?

¿Varía el nivel del agua con el deshielo?

Después de los temas tan teóricos y que han levantado bastante polémica en los dos últimos artículos, vamos a cambiar completamente el rumbo y plantear una cuestión, que no debería suscitar dudas, porque tiene comprobación experimental sencilla, que cualquiera puede hacer, pero ¿quién sabe?

Se ha hablado del aumento del nivel del agua que experimentarán los océanos debido al calentamiento global, que producirá que grandes masas de hielo se derritan, como en el Polo Ártico y en la Antártida, y eleven el nivel de los mares.

Con alguna frecuencia se asocia este hecho con la fusión de grandes icebergs que flotan en el mar.

Vamos a analizar este hecho en condiciones ideales. O sea, sin tener en cuenta variaciones debidas a la temperatura, a la salinidad, a la diferencia de densidades por ese motivo, etc.

Podríamos comenzar por hacer un experimento orientativo. Tomemos un vaso, depositemos en él unos cubitos de hielo, y luego añadamos agua hasta una marca que hayamos hecho en el vaso. Después, simplemente, esperemos hasta que el hielo se haya derretido completamente y miremos si el nivel del agua ha subido, ha bajado o ha permanecido inalterado.

También puede realizarse el experimento llenando el vaso hasta el borde con el hielo flotando, esperar a que se derrita el hielo y ver si el agua se ha desbordado, o si el nivel ha descendido o no ha pasado nada y el nivel sigue siendo el mismo.

En las fotos se aprecia, tal vez no con demasiada precisión, que el nivel aproximadamente permanece invariable.

Todo el mundo sabe que el hielo flota sobre el agua. ¿Por qué? Por la misma razón que explicábamos en el artículo “¿Por qué flotan los barcos?”, porque el hielo pesa menos que el agua, y allí explicábamos que esa comparación había que realizarla tomando el mismo volumen. O sea, comparar el peso, de 1 litro de agua, por ejemplo, con otro de hielo. El de hielo pesa menos y por eso flota.

En general, suele suceder lo contrario, los cuerpos en estado sólido pesan más que en estado líquido, pero el agua es una excepción. Cuando el agua se solidifica y se convierte en hielo, aumenta de volumen. Y ese aumento de volumen es lo que emerge flotando sobre el agua. En la figura Vs es la parte del hielo que está debajo del agua y Ve la parte del hielo que flota.

Si pensamos en un vaso de agua e imaginamos que una porción del agua (la que ocupaba Vs en la figura), del vaso se va a congelar, ese aumento de volumen, una vez convertida el agua en hielo, será visible por encima de la superficie libre del agua (Ve en la figura). Si ahora pensamos en el proceso inverso, y el hielo se funde convirtiéndose en agua (ocupará el volumen Vs en la figura), volverá todo a su estado anterior y el nivel del agua en el vaso no variará.

Más rigurosamente se puede razonar haciendo intervenir fuerzas diciendo que el peso, que es una fuerza que va hacia abajo, tiene que ser equilibrada por otra igual que vaya hacia arriba. Si no, no habría equilibrio. Ésta última es igual al peso del agua desalojada (Vs en la figura) por el hielo, según estableció Arquímedes. En conclusión, el peso del hielo (de volumen Ve+Vs) debe ser igual al peso del agua desalojada (ocupaba el volumen Vs). En otras palabras, la masa total de hielo es igual a la masa Vs de agua y, por tanto, al derretirse ocupará exactamente el volumen de agua desalojada (Vs) y, en consecuencia el nivel de agua no variará.

De todas formas queda pendiente la pregunta del principio:

¿Por qué se dice que aumentará el nivel del agua de los océanos?

Y voy a añadir dos peguntas más:

Primera. ¿Que ocurriría con el nivel del agua del vaso al derretirse el cubo de hielo que flota sobre él si tiene en su interior una pequeña bolita metálica?

Segunda. ¿Y si en lugar de una bolita metálica fuera un corcho?

A los lectores

Aquellos lectores que se animen a hacer el experimento del vaso de agua con el hielo, pueden mandarme las fotografías (probablemente serán mejores que las mías), y procuraré publicárselas (con su nombre o seudónimo).

El fin del universo

Así como existe una opinión científica mayoritaria que apoya la teoría del Big Bang sobre el origen del universo, como decíamos en el artículo precedente (“El origen del universo”), no es tan clara la opinión de los científicos respecto al final del universo, aunque recientemente parece que se van inclinando por una de las que expondremos a continuación.

Si se acepta la teoría de la expansión del universo (comentada en el artículo precedente) se plantea el siguiente interrogante: ¿hasta cuándo se estará expansionando el universo?

Para entender la respuesta hay que recordar que las masas se atraen, como ya el genio de Newton estableció en el siglo XVII, y en el universo hay muchas masas, por lo que entre ellas aparecerán fuerzas atractivas, que se opondrán a la expansión del universo. La ley de Hubble, también tratada en el artículo precedente, indicaba que las galaxias se iban alejando cada vez más, pero no hay que olvidar que por muy lejos que se encuentren, también se van a estar atrayendo por la fuerza de gravitación de Newton.

La teoría de la gran explosión permite explicar por qué se están alejando las galaxias. Si tomamos un ejemplo cotidiano lo entenderemos perfectamente: si lanzamos una piedra verticalmente en el aire, se irá alejando, pero la fuerza atractiva de la Tierra la irá frenando hasta detenerla y luego la irá acelerando hacia la superficie terrestre hasta caer al suelo. No hace falta efectuar ninguna hipótesis adicional de una fuerza que aleje la piedra de la Tierra. Es fruto de la velocidad inicial que le comunicamos.

De forma simplificada y trasladado esto al universo en expansión significaría que la velocidad de expansión del universo se vería frenada por las fuerzas atractivas de la gravitación universal, hasta que la frenaran por completo y a partir de ese momento comenzaría a contraerse el universo cada vez más deprisa hasta que se produjera el colapso. Es lo que se llama el Big Crunch (literalmente “El gran crujido”).

Afortunadamente, hay otras posibilidades. Si volvemos al ejemplo de la piedra, sabemos que si aumentamos la velocidad de lanzamiento de la piedra, ésta llega más lejos y también tarda más tiempo en caer.

El otro factor que influye es el campo gravitatorio. Si éste disminuye también la piedra llega más lejos y también tarda más tiempo en caer.

Finalmente, si poseyéramos suficiente fuerza o utilizáramos un mecanismo adecuado, podríamos pensar en lanzar la piedra con tal velocidad que no retornara nunca a la Tierra. Y si llevamos la analogía a la expansión del universo, ésta sería la situación más favorable para el destino del universo..

¿De qué depende el que nos encontremos en una situación o en otra? Pues si suponemos que el universo está en expansión, nos queda el factor de las fuerzas gravitatorias atractivas. Saber si son suficientemente intensas como para que estemos en una situación o en otra, ¿Serán capaces de frenar la expansión del universo y contraerlo hasta el Big Crunch o no?

Así se podrá entender el interés que tiene averiguar cuál es la densidad de materia del universo para conocer el alcance posible de las fuerzas gravitatorias.

Si la densidad de materia excede un valor que se denomina crítico, podríamos estar en el primer caso y en la hipótesis del Big Crunch.

Una predicción de la teoría de la inflación (ver artículo precedente (“El origen del universo”) es que la densidad de materia no superaría la densidad crítica, sino que tendría un valor muy próximo a ella y podríamos escapar del pavoroso Big Crunch. Ésta parece ser la opinión que cuenta con más adeptos entre los científicos.

De cualquier forma, a estas teorías sobre el fin del universo se pueden añadir otras discusiones sobre el destino del universo, como la que algunos autores han denominado “muerte térmica del universo” en el campo de la Termodinámica, o sobre el fin de la vida sobre la Tierra en relación con la energía que recibimos del Sol, ya que esta estrella posee una energía finita, así que terminará por agotarse.

A los lectores

Como ya he dicho en otras ocasiones, estos artículos breves tienen por objetivo poder ser entendidos por cualquier lector. Por ello, se trata de forma simplificada y, en muchos casos, aproximada sus contenidos. Procuro usar términos y conceptos sencillos apartados del lenguaje científico. No se pretende la resolución numérica de un problema, sino que se entiendan algunas ideas y conceptos y un poco de la metodología científica. Que lo consiga o no, ya es otra cuestión.

Quiero dar las gracias a “Juan” por detectar la omisión de la palabra “millones” en el ejemplo numérico de la aplicación de la ley de Hubble (segundo párrafo) en el articulo precedente (“El origen del universo”). Efectivamente, no son 4.000 sino 4.000 millones.

El origen del universo

La comunidad científica acepta mayoritariamente la teoría del Big Bang (“La gran explosión”) para explicar el origen del universo.

Habría que remontarse a 1929 para entender cómo empezó todo. En ese año el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889 – 1953) descubrió una de las leyes más importantes del siglo XX, que recibe su nombre, fruto de las medidas realizadas en más de 20 galaxias, y que establece que las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad que aumenta al aumentar la distancia de las galaxias. O sea, las galaxias más distantes se alejan más deprisa que las cercanas. Por ejemplo, una galaxia que se halle a 4.000 años luz de nosotros se aleja con una velocidad de 80.000 km/s, que es una velocidad enorme, superior a la cuarta parte de la velocidad de la luz.

Estamos, pues, en presencia de lo que se llama la expansión del universo.

Realmente hay que señalar que esto había sido predicho por Friedmann y Lemaitre, como solución a las ecuaciones de Einstein, al final de la década de 1920, pero antes de que hubiera prueba experimental alguna.

Admitiendo que la expansión del universo ha venido realizándose desde el pasado, se supone que inicialmente el universo estaba concentrado en un núcleo densísimo que experimentó una gran explosión o explosión primaria, conocida con el nombre inglés de Big Bang, que emitió materia y radiación en todas direcciones.

¿Y cuándo ocurrió esa gran explosión? Pues la Cosmología avanzó con gran rapidez después de la Teoría de la Relatividad General de Einstein y de la ley de Hubble, y en 1952 situó en 10.000 millones de años la edad del universo. Y en 2003 medidas de gran precisión hablan de 13.700 millones de años.

Suelen citarse como pruebas a favor de la teoría del Big Bang las siguientes: la radiación de fondo cósmico del microondas, que es una radiación que se percibe en todas direcciones y que se supone emitida en la explosión inicial; la proporción de hidrógeno y helio en las estrellas y galaxias, y la ley de Hubble.

En febrero de 2003 se hicieron públicos algunos resultados de la sonda WMAP que confirman la teoría del Big Bang complementada con la teoría de la inflación, nombre que trata de reflejar la idea de que una fracción de segundo después del Big Bang se produjo una rápida expansión del universo, y en esas etapas en lugar de protones y neutrones se tendrían quarks (componentes de los protones y neutrones) y electrones.

Aunque la expansión lleva consigo un enfriamiento, transcurrido un segundo, la temperatura era altísima, se estima en diez mil millones de grados y el universo estaba lleno de protones, neutrones, electrones, positrones, fotones y neutrinos, pero el universo continuaba expansionándose y enfriándose.

Mediante la radiación de fondo de microondas se consiguió la imagen térmica del universo recogiendo las variaciones de temperatura entre distintos lugares cuando el universo contaba 380.000 años. La imagen fue hecha pública por la NASA en febrero de 2003. Y, aunque 380.000 años nos puede parecer una cifra muy alta, no es prácticamente nada comparada con los 13.700 millones de años de edad del universo de que se habló anteriormente. Significaría poseer la foto de una persona de 80 años cuando era un recién nacido con un día de vida solamente.

Se calculan, según esta teoría, en 200 millones de años después de la gran explosión la aparición de las primeras estrellas y en 10.000 millones de años la aparición de nuestro Sistema Solar y la Tierra.

Finalmente, digamos que en marzo de 2006 la sonda WMAP ha proporcionado nuevos datos que parecen confirmar la teoría del Big Bang y de la inflación. Incluso se habla de la posibilidad de que el universo se multiplicara varias veces en una fracción de segundo.

A los lectores

Gracias por los comentarios. No puedo tratar todos los temas propuestos ni resolver todas las dudas en el blog, como ya he dicho con anterioridad, por eso, en muchos casos contesto individualmente. De modo que el que esté interesado en alguna cuestión concreta que no se pueda tratar en el blog por el motivo que sea, o simplemente para agradecerle su comentario, puede dejar su correo electrónico verdadero en el comentario o, si lo prefiere, ponerse directamente en contacto conmigo, para lo cual no tiene más que solicitarlo pinchando donde dice “contacto” en la franja que figura encima del título del artículo y de la fecha.

¿Duran menos los vuelos hacia el oeste?

¿Dura lo mismo un vuelo hacia el oeste que hacia el este? Por ejemplo: ¿dura lo mismo el vuelo Madrid – Nueva York que el vuelo Nueva York – Madrid?

Tal vez la primera impresión sea decir que sí, puesto que la distancia es la misma. Pero una segunda reflexión, nos recordaría que la Tierra rota hacia el este y ello quizá nos haría pensar que el vuelo hacia el oeste (Madrid – Nueva York) aprovecharía ese movimiento, y que la propia Tierra iría acercando su objetivo (Nueva York) al avión y, en consecuencia, el vuelo Madrid – Nueva York duraría menos.

Comprobados los datos reales, resulta que es al revés: el vuelo Nueva York – Madrid dura menos. Ahora bien, las rutas de ida y vuelta probablemente no habrán sido las misma y, además, este resultado se supone que tendrá en cuenta los vientos, como el “Jet Stream” (corriente de chorro) que en el hemisferio norte va de oeste a este y eso favorece el vuelo hacia Madrid. Así pues, habría que cerciorarse que las rutas de ida y de vuelta fueran iguales, y deberíamos precisar nuestra pregunta e imponer igualdad de condiciones, o sea, prescindir de vientos y cualquier elemento perturbador y diferenciador.

Antes de contestar la cuestión, plantearemos la misma idea con otra pregunta de una forma que nos sugerirá la respuesta: si mediante un mecanismo artificial o un helicóptero nos elevaran unos cuantos centenares de metros sobre nuestra vertical en Madrid, y nos quedáramos allí, ¿sería posible que aprovecháramos el movimiento de rotación de la Tierra hacia el este (unos 1300 km/h de velocidad para esta latitud), esperar un poco más de 4,5 horas y al bajar nos encontrásemos en las cercanías de Nueva York (suponiendo que la distancia entre ambas ciudades fuera de unos 6000 km)?

Supongo que a esta última pregunta todo el mundo contestaría que no. ¿Por qué?

Intuitivamente así nos lo parece, pero profundizando un poco más, podríamos pensar que la atmósfera es también arrastrada por la Tierra en su rotación y, por lo tanto, también el helicóptero de la última pregunta, y éste volvería a depositarnos en el mismo sitio de donde nos tomó (Madrid). Y el vuelo Madrid – Nueva York y el de vuelta Nueva York – Madrid, planteados en idénticas condiciones, durarían lo mismo.

También conviene considerar que al estar en la superficie de la Tierra participamos de su velocidad y por elevarnos un poco en su superficie no perdemos esa velocidad, sino que la mantenemos, de modo que nuestra velocidad respecto de la Tierra es nula. Estamos en reposo respecto de ella. A nosotros nos parece que no se mueve. Y si imaginamos que la Tierra no rota, es igual que el avión vaya hacia el este o hacia el oeste o que el helicóptero suba, espere y baje.

Y al hilo de estas cuestiones voy a dejar planteada una pregunta:

Aprovechando que ahora estamos en plena Olimpiada de Pekín y se acercan las pruebas de atletismo, podríamos preguntarnos:

Efectuar un salto de longitud hacia el oeste ¿tiene ventaja frente a saltar hacia el este?

Porque como la Tierra rota hacia el este, si el atleta salta hacia el oeste, ¿no tendrá ventaja, aunque sea pequeña porque, mientras está en el aire, la Tierra, al rotar hacia el este, le ayuda a aumentar la longitud de su salto, que al final se medirá sobre la Tierra?

¿Cómo está orientado el foso del salto de longitud. ¿Salta el atleta de oeste a este o de este a oeste? ¿O de norte a sur? ¿O en alguna otra orientación?

¿Por qué se producen las estaciones del año?

Como decíamos en el artículo precedente (¿Por qué hace más calor en verano?), de la situación presentada allí se podían extraer más conclusiones, algunas de las cuales vamos a mencionar aquí. Una de ellas es la que da título al artículo.

Para entender más fácilmente lo que expondremos a continuación, sería conveniente leer el artículo mencionado, pero vamos a tratar de resumir aquí lo necesario para que eso no sea necesario.

Comenzaremos por reproducir los dibujos y los enlaces (1, 2, 3)

La Tierra se traslada alrededor del Sol describiendo una órbita elíptica, pero, al mismo tiempo gira sobre su eje (Polo Norte, Polo Sur) y da una vuelta completa en un día. Y ese eje de giro está inclinado 23,5º, como puede apreciarse en el segundo dibujo.

Si no existiera esa inclinación y el eje estuviera perpendicular a la órbita elíptica plana nos encontraríamos con la primera figura, y eso significaría que, en su desplazamiento alrededor del Sol, cada lugar de la Tierra recibiría, aproximadamente, la misma cantidad de calor cada día. Realmente la trayectoria elíptica de la Tierra se parece mucho a una circunferencia (152 millones de km dista la Tierra del Sol en el punto más alejado y 147 millones en el más próximo). Por consiguiente, si se desprecia esa pequeña diferencia, no habría estaciones, el Sol incidiría siempre perpendicularmente en el Ecuador terrestre, y no se notarían variaciones diarias de temperatura. Además, ambos hemisferios quedarían igualmente iluminados, también se vería salir y ponerse el Sol por el mismo punto cada día y la duración de los días y las noches no variaría con el transcurso del año.

El hecho de la inclinación de los 23,5º famosos del eje de rotación es la causa de que todo cambie. Si estamos en el hemisferio norte y en la época del verano, el Sol incide más perpendicularmente, como ya hemos dicho, pero, a medida que se va desplazando la Tierra en su órbita hacia el invierno pasando por el otoño, la luz va incidiendo más oblicuamente.

Si se mira el segundo de los dibujos expuestos más arriba, o los enlaces indicados, se observará también que la inclinación del eje de rotación es la causa de que en verano veamos el Sol más alto que en invierno. ¿Por qué? Porque lo vemos más próximo a nuestra vertical en verano, que coincide, prácticamente, con la dirección radial. La Tierra puede considerarse como una esfera. Apenas tiene un 0,33% de achatamiento por los polos.

Y terminemos con la influencia de los 23,5º de inclinación del eje de rotación en los solsticios de verano y de invierno. En el primero de ellos (verano), el Sol incide perpendicularmente sobre el paralelo que está situado 23,5º sobre el Ecuador, que se denomina Trópico de Cáncer. Y sigamos con los famosos, 23,5º. Si desde el Polo Norte nos movemos hacia el sur esos 23,5º llegaremos a lo que se denomina Círculo Polar Ártico (por eso se dice que su latitud es de 66,5º norte, que es la diferencia entre 90º y 23,5º). Entre este paralelo y el Polo Norte no se pondrá el Sol durante todo el tiempo que tarde la Tierra en una rotación completa el día del solsticio de verano. Es el famoso sol de medianoche.

Lo mismo puede razonarse en el hemisferio sur y llegaremos al Trópico de Capricornio y Círculo Polar Antártico. Y entre éste y el Polo Sur disfrutarán de oscuridad completa mientras la Tierra da una vuelta completa ese día.

Pero seis meses más tardes los papeles de los hemisferios se invertirán y el Sol se situará perpendicularmente sobre el Trópico de Capricornio

Y aquí terminaremos, por ahora, de dar vueltas a la Tierra, y con la Tierra sigamos dando vueltas.

A los lectores

La interesante duda que plantea el lector “una duda” sobre el artículo precedente (¿Por qué hace más calor en verano?) sobre el desfase entre el solsticio de verano y los días más calurosos, se conoce en inglés con el nombre de “seasonal lag”. Tiene que ver con el balance energético que se produce en la Tierra y atmósfera y la radiación incidente y con los lagos, mares y ríos existentes y el alto valor del calor latente del agua, pues no es solamente la radiación solar incidente la que determina la temperatura. Como es demasiada larga la explicación, pueden verse los diferentes aspectos en los enlaces 1, 2, 3 y 4.