Disfruta de tu universo, no tienes otra opción

Por Álvaro de Rújula

El título de este libro habría que interpretarlo casi al pie de la letra. “Universo” se refiere a todas las “cosas” observables, desde el conjunto del cosmos hasta las partículas elementales, pasando por los agujeros negros; es decir, a entes y fenómenos comprensibles por la física. En este sentido, se puede disfrutar solo de nuestro universo, ya que la pretendida existencia de “multiversos” se acerca más a la ciencia-ficción que a la ciencia. En esa línea, su autor discute casi exclusivamente temas que la ciencia entiende relativamente bien, estableciendo una clara distinción entre lo que sabemos con certeza y lo que sabemos que no sabemos, o no entendemos, reconociendo, por tanto, cuando nuestra ignorancia domina el tema. En esta visita guiada, que plantea un amplio y variado recorrido por fenómenos y conceptos de la física fundamental y la cosmología, Álvaro de Rújula, conjugando humor y rigor, nos invita a admirar la belleza de nuestro universo y a disfrutar de él intentanto entender cómo funciona en nuestra actual comprensión del mismo.

• Idioma: Español
• Editorial: Los Libros de la Catarata
• Fecha de lanzamiento: 10 nov 2020
• ISBN: 9788413520995

Álvaro de Rújula

Álvaro de Rújula nació en Madrid, donde estudió Física y obtuvo su doctorado. Ha trabajado en Italia (Centro Internacional de Física Teórica, Trieste), Francia (Instituto de Estudios Científicos Avanzados), Estados Unidos (Universidades de Harvard y de Boston) y en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (en distintos puestos, desde estudiante de verano hasta director de la División de Teoría). Actualmente también está en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (IFT/UAM/CSIC). En los años setenta contribuyó a la consolidación del modelo estándar de la física de partículas, principalmente la cromodinámica cuántica y sus quarks encantados. También ha realizado trabajos sobre los neutrinos (las mediciones de la masa y la tomografía de la Tierra), la ausencia de antimateria en el universo, cómo encontrar el bosón de Higgs, etc.

Vista previa del libro

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Álvaro de Rújula

DISFRUTA DE TU UNIVERSO,

No tienes otra opción

COLECCIÓN Física y Ciencia para todos

COMITÉ EDITORIAL

José Adolfo de Azcárraga Feliu (Presidente de la RSEF)

Miguel Ángel Fernández Sanjuán (Editor General de la RSEF)

Augusto Beléndez Vázquez (Director de la Revista Española de Física, RSEF)

Diseño de la colección: Pablo Nanclares

Ilustración de cubierta: extraída de Camille Flammarion, L’atmosphère: météreologie popu­­laire, Librairie Hachette et cie., París 1888, p. 163 y adaptada para la presente edición por Álvaro de Rújula.

La autoría de las figuras cuya fuente no se especifica al pie es de Álvaro de Rújula.

Traducción del inglés: por el propio autor (Á. de R.)

© Álvaro de Rújula, 2020

© as per OUP edition

Enjoy Our Universe. You Have No Other Choice was originally published in English in 2018. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Los Libros de la Catarata is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.

Enjoy Our Universe. You Have No Other Choice se publicó originalmente en inglés en el año 2018. Esta traducción se ha publicado mediante un acuerdo con Oxford University Press. Los Libros de la Catarata es el único responsable de esta traducción de la obra original y Oxford University Press no tendrá ninguna responsabilidad por cualquier error, omisión, imprecisión o ambigüedad en dicha traducción o por cualquier perjuicio que pueda derivarse de ella.

© Real Sociedad Española de Física (RSEF), 2020 Facultad de Ciencias Físicas. Universidad Complutense de Madrid Plaza de las Ciencias, 1 28040 Madrid www.rsef.es

© Fundación Ramón Areces, 2020 Calle Vitruvio, 5 28006 Madrid www.fundacionareces.es

© Los Libros de la Catarata, 2020 Fuencarral, 70 28004 Madrid TEL. [phone] www.catarata.org

ISBN: 978-84-9097-952-5

E-ISBN: 978-84-1352-099-5

Thema: PDZ/PH/PGK

Depósito legal: M-8.336-2020

Este libro ha sido editado para ser distribuido. La intención de los editores es que sea utilizado lo más ampliamente posible, que sean adquiridos originales para permitir la edición de otros nuevos y que, de reproducir partes, se haga constar el título y la autoría.

Prefacio

La mayoría de la gente —y algunos científicos— conocen las reglas de muchos deportes y sus resultados recientes o históricos. Quizás porque ellos mismos los practican o simplemente porque el deporte es divertido de ver y de seguir. La mayoría de los científicos practican su profesión e, incluso si no lo hacen, consideran que es apasionante seguir el progreso de la ciencia. Y aquí acaban los parecidos entre deporte y ciencia, o entre algunos científicos y la mayoría de la gente.

Pocos no científicos se adhieren con entusiasmo a la opinión de que entender el universo en el que estamos, o sencillamente intentarlo, también es muy divertido. ¡No entiendo nada! es una reacción frecuente a cualquier texto científico. En mi opinión, la razón fundamental no es que la ciencia sea aburrida o indescifrable, sino que, en la mayoría de los casos, no se enseña adecuadamente.

Pero incluso en un (buen) jardín de infancia se puede enseñar a niñas y niños el método científico: hacer experimentos y extraer conclusiones de sus resultados. Para mayor precisión, se les puede dar a niños —incluso bastante pequeños— una balanza, una jarra, un utensilio de cocina que mida volúmenes de líquidos y bolas o pelotas de varios tipos: de tenis, golf, ping-pong, billar… El juego consiste en averiguar qué es lo que hace que las distintas bolas o pelotas floten o se hundan en el agua.

Los resultados son sorprendentes: los chavales —midiendo, experimentando y pensando— averiguan rápidamente que no es el tamaño lo que cuenta, sino algo que también tiene que ver con el peso. Si no son bebés, y con ayuda de alguna pista, o probando con bolas del mismo tamaño pero de pesos distintos, pueden incluso descubrir que la respuesta está en la relación entre peso y volumen (cuyo cociente es la densidad). El juego es mucho más eficaz —y enseña las ventajas de colaborar— si los niños están organizados por equipos. También les proporciona diversión, una manera eficaz de pensar y un enfoque de los problemas basado en la colaboración, la curiosidad y la duda constructiva.

Lo dicho en el párrafo anterior no se basa en un experimento mental, un tipo de razonamiento que gusta mucho a tantos científicos (Einstein era un gran aficionado a ellos), sino en el resultado de muchos experimentos realizados con —y por— niños de carne y hueso. Existe un exitoso programa de enseñanza, aunque insuficientemente financiado, fundado por Leon Lederman (un estadounidense premio nobel de Física), llamado Hands On (manos en la masa)¹. En él se emplea, precisamente, la citada metodología de enseñanza y aprendizaje basada en el ensayo y error —y nuevo ensayo—. Ha sido probado, en particular, con niños y jó­­venes de barrios desfavorecidos de Chicago. El programa se ha extendido a otros países como Francia, en donde se denomina La Main à la Pâte². Allí fue introducido por Georges Charpak, otro laureado nobel de Física.

Proyectos de enseñanza activa como Hands On existen también en todas las etapas educativas, incluso en la universidad. En los niveles superiores, el problema puede ser que los profesores no han sido adecuadamente instruidos. Al menos eso dice Carl Wieman —también premio nobel de Física—, quien se ha involucrado muy activamente en este tipo de educación³. Se trata de sustituir las técnicas escolásticas de enseñanza, esencialmente la repetición ad infinitum de textos para su memorización, por algo más constructivo.

Este libro no está escrito para chicos y chicas (muy) jóvenes, ni para físicos, pero sí para cualquiera —independientemente de la educación que haya tenido o sufrido— que esté interesado en los fundamentos de nuestra actual comprensión del universo. Por universo entendamos todo lo observable: desde el objeto más grande, el mismísimo universo, hasta los más diminutos, las partículas elementales que funcionan como si no tuvieran partes más pequeñas. Este es un libro más sobre el mismo tema. ¿Por qué escribirlo? Porque los intentos por entender el universo son realmente divertidos y no puedo resistir la tentación de poner negro sobre blanco —e intentar compartir— mi cuota personal de dicho divertimento.

Cómo leer este libro

Algunos hipotéticos lectores podrían ser alérgicos a las matemáticas. Que no se asusten. Usaré muy poca álgebra: símbolos para representar y relacionar conceptos, como en E = m c², expresar otras relaciones entre dos cosas, tales como ≠, ≈, ∼, ∝, > —que respectivamente significan distinto, aproximadamente igual, aproximadamente igual pero menos, proporcional a, mayor que—. También, un poco de aritmética: las cuatro reglas (+, −, ×, ÷), potencias de diez, tales como 10³ (diez al cubo, también llamado potencia tercera de diez; o mil, por las buenas). Caeré incluso en la tentación de definir y usar, ocasionalmente, una raíz cuadrada o un vector, pero no sin previo aviso.

Tres precisiones más: habrá una advertencia en forma de un asterisco o dos en los capítulos cuya lectura inevitablemente se puede hacer más cuesta arriba o que resultan más algebraicos. Si no sonase algo condescendiente, aconsejaría a lectores reacios a las matemáticas que se los saltasen. Algunas notas a pie de página contienen aclaraciones técnicas destinadas a pacificar a los lectores más duchos.

Al final del libro hay un glosario de términos, ya que es difícil memorizar de una sola vez la totalidad de los muy abundantes términos y conceptos introducidos en algún momento y que se vuelven a emplear más adelante, como, por ejemplo, fermión, bosón o los nombres de las potencias de diez. Todos ellos aparecen marcados en negrita la primera vez que se mencionan en el texto.

CAPÍTULO 1

La física es un arte

Si el Todopoderoso me hubiera consultado sobre la Creación, le hubiera recomendado algo más simple.

Alfonso X de Castilla (1221-1284),

el rey de la tres religiones

La cita real era un comentario a la teoría dominante en aquel entonces: la ptolemaica, muy complicada pero muy precisa. Según esta, los planetas orbitarían alrededor de la Tierra en trayectorias complejas, y no alrededor del Sol, en órbitas mucho más simples. Este rey excepcional, Alfonso X el Sabio —en esto, casi único desde Salomón— tuvo una buena intuición: efectivamente, las cosas son más simples.

Para un científico simplicidad también significa belleza. La belleza, por ejemplo, de las ecuaciones que describen el universo. Pero la primera regla al escribir un libro de física para lectores no necesariamente acostumbrados a las matemáticas, es no escribir ninguna ecuación, con la posible excepción de E = m c², tan frecuentemente malinterpretada⁴.

Ahora bien, ¿quién puede resistirse a la tentación de incumplir las reglas? Para camuflar mi actitud transgresora, desobedezco esta regla escribiendo otra ecuación más, pero en una figura, la 1 (p. I).

En dicha figura los desconcertantes símbolos en la pizarra inferior del tío Albert son las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Esta concisa fórmula abarca una buena parte de todo lo que saben los físicos a un nivel básico⁵. La fórmula dice que la gravedad está descrita por un campo gravitatorio, que aparece a la izquierda de la ecuación. La fuente de la gravedad, a la derecha del signo =, es cualquier cosa que tenga masa, energía o impulso⁶. La ecuación y sus soluciones describen o predicen, entre otras cosas, y con increíble exactitud, la caída de la proverbial manzana de Newton, el comportamiento de los relojes de los satélites GPS, las órbitas de los planetas (incluyendo el peculiar avance del perihelio⁷ de Mercurio), la deflexión por el Sol de la luz de las estrellas, el movimiento de las estrellas y galaxias, la existencia de agujeros negros, la emisión de ondas gravitatorias por púlsares binarios y en la fusión de agujeros negros o de estrellas de neutrones… y hasta el universo y su expansión⁸. ¿Quién no admitiría que hay una forma de belleza en esta simplicidad?

La pizarra en la parte superior de la figura 1 (p. I) contiene un término añadido por Einstein, quien más tarde pensó que se trataba de su mayor error. Aun así, puede resultar ser una de sus mayores contribuciones, lo que no es una victoria sencilla. Lo que Λ simboliza se llama la constante cosmológica. Habría que añadirla a la otra ecuación y puede interpretarse como la densidad de energía del vacío. Si Λ no es cero, el vacío no es la nada, como veremos en merecido detalle en la sección 22.1.

Actualmente la constante cosmológica es la explicación más sencilla de la observación de que la expansión del universo es ahora acelerada. Para una Λ positiva, un trozo del vacío en el universo repelería gravitatoriamente cualquier otro, dando lugar a la aceleración. ¿No es esto también bello o, como poco, fascinante?

Por cierto, una profunda pregunta para la que no tenemos una respuesta seria es: ¿por qué las leyes fundamentales de la naturaleza son elegantes y concisas? Otro premio nobel de Física, que no nombraré, conjetura lo siguiente: basta echarle un vistazo a nuestro planeta para concluir que si Ella creó el universo, lo hizo al azar. ¿Cómo explicar si no la situación política en muchos países, incluido el mío, y quizás el del lector? Se nota que mi colega es feminista, hasta el punto de suponer que el hipotético creador es una diosa. Resulta que esta diosa tiene buen gusto: durante los fines de semana, cuando se supone que debería descansar, se lee los artículos de física de la semana anterior. Y cuando encuentra algo irresistiblemente bello —ya hemos visto un ejemplo— decide que es la Verdad con mayúsculas: una inexorable ley de la naturaleza. Puesto que Diosa es todopoderosa, la nueva ley se vuelve para siempre cierta, aplicándose incluso en el pasado, cuando también era inquebrantable.

La afirmación de que —no solo en ciencia— la respuesta correcta es la más simple se denomina frecuentemente la navaja (de afeitar) de Ockham, por el fraile inglés, franciscano y también filósofo (ca. 1287-1347). En muchos casos —particularmente en las ciencias— el instrumento para distinguir la hipótesis más simple de las más complejas no tiene que ser tan afilado como una navaja, incluso una cuchara bastaría, véase la figura 2. Un claro ejemplo es la visión heliocéntrica (centrada en el Sol) de las órbitas de los planetas en comparación con la más complicada geocéntrica, según la cual seríamos el ombligo del universo.

Figura 2

William de Ockham con su navaja y su cuchara

CAPÍTULO 2

La ciencia como deporte

La búsqueda de las leyes de la naturaleza es también un deporte muy competitivo. Podría uno pensar que acertar es lo único que cuenta. Siendo la naturaleza un participante y también un árbitro infalible, ¿qué más puede contar? Uno de los problemas es que, cuando el contexto histórico está maduro, un descubrimiento específico —ya sea teórico o experimental— lo hacen casi simultáneamente más de una persona o equipo. Un ejemplo clásico en fructíferas matemáticas es la invención del cálculo diferencial (el uso de minúsculos pasos para construir un objeto completo, como la trayectoria de un planeta). Isaac Newton, Gottfried Wilhelm Leibniz y sus secuaces pelearon vehementemente sobre quién lo hizo primero y sobre si se trataba de un plagio. A investigadores que compiten por la misma meta y la alcanzan casi simultáneamente les falta la foto finish ­—el árbitro infalible de las carreras— y el problema de la prioridad es inevitable.

Hoy en día se sabe que los vikingos pusieron pie en América ya en el siglo X, o antes. No cabe duda de que los aborígenes americanos estaban ya allí desde hacía milenios. Aun así, la gloria de descubrir América se le atribuye a Colón. Por lo tanto, la cuestión no es ser el primero que descubre algo, sino el último. Me enseñó esto un colega suficientemente listo como para admitir que su trabajo más citado no era más que una mejo­­ra de cosas sabidas anteriormente. La moraleja es que la mayoría de los científicos son —somos— extremadamente sensibles al reconocimiento: ¡Papá!, ¡mamá!, ¡mira!.

La más apasionante de las competiciones científicas fue, sin duda, la de Einstein contra los misterios de la naturaleza. Los primeros tres sets los ganó el científico con relativa facilidad, todos en el mismo año, 1905. En ese annus mirabilis descubrió la relatividad, entendió el movimiento browniano y explicó el efecto fotoeléctrico. Si la teoría relatividad había ya sido descubierta por Hendrik Lorentz, Henri Poincaré, Hermann Min­­kowski y otros, produjo de hecho controversia, aunque solo Einstein es­­cribió, aunque sin verdaderamente demostrarlo, su resultado más conocido⁹, E = m c². El movimiento browniano, la observable agitación de granos de polen en el agua, se debe a los choques de las moléculas de esta última con los granos. Esta conclusión estableció la naturaleza discontinua, atómica o molecular de la materia.

Para entender con detalle el efecto fotoeléctrico —cómo la luz incidente sobre un metal extrae electrones de él—, Einstein tuvo que suponer que la luz se manifiesta también en paquetes, las partículas elementales que ahora llamamos fotones. Esto le valió a Einstein su Premio Nobel, quizás el menos merecido de los cuatro que hubiera podido obtener.

El summum de los torneos de Einstein contra la naturaleza fue el que ganó cuando desveló el enigma de la gravedad, concibiendo las ecuaciones de la figura 1 (p. I). La lid comenzó en 1907, con un experimento mental sumamente simple: se dio cuenta de que alguien que estuviese en un ascensor cerrado que se cae no sabría que está haciéndolo en un movimiento acelerado y potencialmente letal, como veremos en detalle en el capítulo 5. Basándose en esto, concluyó que la aceleración y la gravedad son localmente equivalentes. El camino desde aquí a las ecuaciones de la relatividad general es arduo, incluso para alguien que se proponga estudiarlas, en vez de intentar deducirlas desde el principio. Einstein tardó ocho años, hasta 1915, en recorrerlo. No sabemos cómo se sintió al llegar a la meta, probablemente del modo que ilustra la figura 3. El resto de su vida lo pasó luchando por encontrar una teoría unificada de la gravedad y el electromagnetismo, una tarea en la que fracasó.

Figura 3

Albert Einstein celebrando la relatividad general