El confuso mundo de la física:
Lectura mínima de 15Convertir la percepción en realidad
¡La física! El gran plano de cómo funciona el universo. Pero no lo endulcemos: se vuelve confuso rápidamente. Especialmente cuando intentas desenredar el ámbito familiar de la física clásica del mundo resbaladizo, alucinante y distorsionador del tiempo de la relatividad especial. Y aquí está el truco: no es que las leyes de la física cambien cuando las cosas se vuelven extremas; es que nuestra percepción se distorsiona. Einstein, tan agudo como siempre, no solo nos entregó un nuevo conjunto de reglas: nos dio una lente matemática para ver cómo funcionan realmente las cosas cuando se vuelven, digamos, cósmico.
La física clásica es como un amigo de confianza: predecible, sólida y siempre con sentido. Ya conoces las reglas: F=maLa gravedad te empuja hacia abajo y las cosas se mueven cuando una fuerza actúa sobre ellas. La física newtoniana es la base sólida de las trayectorias de los cohetes, el movimiento planetario y los puentes que no se derrumban (bueno, la mayoría de las veces). Es la base de la vida cotidiana, donde todo parece estar en perfecto orden.
Pero entonces… entonces te acercas a la horizonte de eventos de un agujero negro, o si empiezas a acelerar la velocidad de la luz, las cosas empiezan a volverse realmente extrañas. El tiempo se estira, las distancias se deforman y la masa se infla como un neumático demasiado inflado. ¿Qué te parece la relatividad especial? Bueno, espera un segundo. Einstein no estaba diciendo que el universo en sí se está deformando de alguna manera mística, estaba diciendo que está deformándose. Nuestra percepción Eso cambia en estas condiciones extremas. Y esa es una distinción sutil pero crucial.
Primer ejemplo: E = mc2
Comencemos con la ecuación más famosa de Einstein: E=mc2La estrella de rock de la física. Esta belleza nos dice que la energía (E) es igual a la masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado (c2). Una pequeña cantidad de masa se puede convertir en una enorme cantidad de energía. Ahora bien, en la física clásica nos gusta mantener la masa y la energía en rincones separados: dos conceptos distintos. Pero Einstein, el diablo astuto, nos mostró que son intercambiables.
Ahora vamos a agregar algo Física clásica Para darle un poco de emoción a las cosas, recuerda que el peso es igual a la masa por la gravedad: w=mg. Reordena eso y la masa se convierte en m=w/g. Si lo sustituimos en la ecuación de Einstein, obtenemos:
E = (p/g)c2
¿Y qué nos dice esto? la gravedad aumenta, energía disminuyeEsto es la física clásica dándole la mano a la relatividad. Lo que estás viendo (la masa aparentemente aumentando a medida que un objeto se acerca a la velocidad de la luz) no es la realidad. percepción La matemática de Einstein es como un anillo decodificador cósmico que traduce esas distorsiones a términos clásicos. Es como una tabla de conversión universal, solo que con más matemáticas y menos tazas medidoras.
Segundo ejemplo: las ecuaciones de campo de Einstein
Vamos a subir un poco la apuesta. Entra en escena Ecuaciones de campo de Einstein, el corazón de la relatividad general. Estas ecuaciones describen cómo la materia y la energía deforman el espacio-tiempo. Una forma simplificada de estas ecuaciones es la siguiente:
GRAMOmi+Λgmi=8πTmi
Ya sé que es un nombre largo, pero la verdad es que: Gmicrovoltios representa cómo la gravedad curva el espacio-tiempo y Tmi es el tensor de tensión-energía, que básicamente nos dice cómo se distribuyen la materia y la energía en el espacio-tiempo. La ecuación nos dice cómo se curva el espacio-tiempo en presencia de masa y energía y, a su vez, cómo el espacio-tiempo influye en el movimiento de los objetos.
Ahora, volvamos a Física clásica Por un segundo: ¿recuerdas la ley de gravitación de Newton? F=G(m1metro2)/o2, que da la fuerza de gravedad entre dos masas. Funciona bastante bien aquí en la Tierra, pero si nos acercamos a un agujero negro, la ley de Newton comienza a descomponerse como un puente viejo que necesita reparación. La curvatura del espacio-tiempo se vuelve tan extrema que la fórmula de Newton simplemente no puede seguir el ritmo. Ahí es donde Las ecuaciones de Einstein intervenir, como el equipo de limpieza cósmica.
La ley de Newton es como las ruedas de entrenamiento de la gravedad: funciona bien para las cosas pequeñas, pero Einstein nos ofrece el panorama completo. No reemplazó a Newton; simplemente extendió la física clásica a la realidad más grande.
El cañón y la energía: una lección de gravedad
Imagínese esto: tiene un cañón diseñado para disparar un proyectil a 300 yardas aquí en la Tierra. La física clásica en acción. La energía necesaria para lanzar esa bala de cañón es fija en función de su masa, la fuerza de la explosión y la gravedad de la Tierra. Pero tomemos ese cañón en una perspectiva diferente. Excursión por el sistema solar.
Primera parada: la LunaLa gravedad aquí es mucho más débil que en la Tierra, por lo que cuando disparas la bala de cañón, se elevará mucho más allá de 300 yardas. ¿Por qué? Porque la gravedad energía La fuerza necesaria para empujar contra la atracción gravitatoria más débil de la Luna es menor. El mismo cañón, la misma energía, pero la gravedad no hace mucho para mantener la pelota abajo, por lo que vuela.
Próxima parada: JúpiterAhora las cosas se ponen interesantes. La gravedad de Júpiter es brutal, mucho más fuerte que la de la Tierra. Dispara la bala de cañón con la misma cantidad de energía y apenas se arrastrará diez metros antes de que la enorme atracción gravitatoria de Júpiter la arrastre hacia abajo. Pero aquí está la clave: para hacer que esa bala de cañón recorra los mismos 300 metros que en la Tierra, necesitarías mucha más energíaCuanto más fuerte sea el campo gravitatorio, más energía necesitarás para luchar contra él.
Entonces, ¿cuál es la moraleja? El comportamiento de la bala de cañón no solo tiene que ver con la distancia que recorre, sino con la velocidad a la que se desplaza. La gravedad altera los requerimientos de energía.En la Tierra, una determinada cantidad de energía es suficiente para lanzarla a 300 yardas. En la Luna, se obtiene más por cada dólar invertido porque la gravedad no la detiene. Pero en Júpiter, la gravedad exige mucha más energía solo para mover la pelota unos pocos pies.
Esta analogía no se trata solo de que la gravedad atrae las cosas hacia abajo, sino de cómo la gravedad impacta en ellas. energía requerida Para hacer que las cosas se muevan. Cuando la gravedad aumenta, la energía necesaria para vencerla se dispara. El mismo objeto, la misma física, pero diferentes demandas de energía según el lugar del universo en el que te encuentres.
El cañón, la energía y el rompecabezas gravitacional
Volvamos al confiable cañón y su viaje a través del cosmos. Ya hemos establecido que dispararlo a la Tierra, la Luna o Júpiter produce resultados muy diferentes porque la gravedad cambia la distancia que recorre el cañón. Pero no se trata solo de cómo la gravedad afecta el movimiento, sino de cómo interactúan los requisitos de energía y la masa bajo diferentes fuerzas gravitacionales.
Ahora bien, aquí es donde la cosa se pone interesante y potencialmente confusa. Tomemos la famosa ecuación de Einstein E=mc2, pero modifiquémoslo ligeramente utilizando la física clásica. Recordemos que el peso es la masa de un objeto multiplicada por la gravedad: w=mg. Reordenemos eso y obtendremos la masa como m=w/g. Sustituyendo esto en la ecuación de Einstein, obtenemos:
E=(p/g)c2
Según el dicho científico, “la masa es constante sin importar la fuerza gravitacional”, pero ¿es eso realmente cierto? Si cambiamos la fórmula, w=mg, nos dice que a medida que aumenta la gravedad, también lo hace el peso. Cuanto mayor es la fuerza gravitacional, más pesado se siente el objeto. Pero espere: si el peso aumenta con la gravedad, ¿por qué no debería cambiar también la masa bajo la fuerza gravitacional? Piénselo: el peso es solo un producto de la masa y la gravedad, así que si la gravedad atrae con más fuerza, ¿por qué asumimos que la masa permanece igual?
Aquí es donde las cosas se ponen confusas. Medimos el peso de una persona en la Tierra debido a la atracción gravitatoria de la Tierra. Para encontrar la masa de alguien, dividimos su peso por la gravedad de la Tierra. Pero ¿qué pasa si la masa no es tan constante como creemos? ¿Qué pasa si la masa realmente cambia con las fuerzas gravitacionales, pero esto no lo hemos notado todo el tiempo? Después de todo, el peso es esencialmente la forma en que la masa se manifiesta bajo la gravedad, y tal vez solo estemos arañando la superficie de lo que realmente hace la masa en condiciones extremas.
Esto también nos lleva a una posibilidad fascinante: si la masa disminuye en campos gravitatorios más fuertes, como cerca de un agujero negro, tal vez la energía necesaria para acelerar los objetos también cambiaría. ¿Podría esto significar que se necesita menos energía para impulsar un objeto más rápido? No podemos simplemente cambiar las fórmulas sin cuidado, pero estos experimentos mentales comienzan a tirar de hilos que la física tradicional podría estar pasando por alto.
Esta analogía canónica no se refiere únicamente a la distancia que puede alcanzar un objeto en función de la gravedad, sino a cómo la gravedad puede alterar la masa misma, obligándonos a repensar la relación entre el peso, la masa, la energía y el campo gravitatorio. Es el enigma definitivo: vemos la masa como constante, pero el peso y la gravedad son inseparables. No podemos tener uno sin el otro, pero tal vez nuestra percepción de la masa esté tan distorsionada como nuestra percepción del tiempo cerca de la velocidad de la luz.
No es de extrañar que la física nos resulte tan alucinante: cuanto más creemos saber, más empezamos a cuestionar lo que siempre hemos aceptado.
Velocidad y percepción: una paradoja de la relatividad
Y esto nos lleva a la siguiente idea alucinante: la velocidad. En física clásica, sabemos que si disparas un arma desde un coche que viaja a 240 km/h, la velocidad de la bala es la velocidad del coche más la velocidad inicial del arma. Una simple suma, ¿verdad? Entonces, ¿por qué, cuando tratamos de aplicar esto a la velocidad de la luz, todo sale mal? La velocidad de la Tierra a través del espacio es de aproximadamente 600.000 metros por segundo, y la luz viaja a poco menos de 300.000.000 m/s. Si apuntas un láser en la misma dirección en la que se mueve la Tierra, la física clásica dice que la velocidad del rayo debería ser 300.000.000+600.000300.000.000 + 600.000300.000.000+600.000 m/s. Pero según la relatividad especial de Einstein, la velocidad de la luz permanece constante, sin importar cuán rápido se mueva la Tierra o cualquier otro objeto.
Un momento, ¿por qué el láser no se mueve más rápido? La física clásica dice que debería hacerlo. El problema aquí es de nuevo la percepción. La luz, como el proyectil del cañón de Saturno, no se comporta de la forma esperada a altas velocidades. No es que la luz se ralentice o se acelere, sino que nuestra percepción de la velocidad, el tiempo y la distancia cambia cuanto más rápido nos movemos. Cuando las cosas empiezan a acercarse a la velocidad de la luz, se rigen por un nuevo conjunto de reglas, reglas que son coherentes con las antiguas pero que parecen distorsionadas porque las estamos mirando a través de una lente diferente. El problema no es la luz, sino la forma en que intentamos verla.
Ahora, imaginemos un objeto que viaja más rápido que la luz. Según la física clásica, bastaría con sumar las velocidades y listo. Pero con la relatividad, ocurre algo curioso: cualquier cosa que viaje más rápido que la luz se vuelve prácticamente invisible. ¿Por qué? Porque la luz emitida por un objeto de ese tipo se movería más lentamente que el propio objeto. No podríamos verlo; el objeto superaría en velocidad a su propia luz y nuestra percepción no podría captar su existencia. No es que el objeto no pueda existir, es solo que no podemos observarlo con las mismas herramientas a las que estamos acostumbrados.
Hay otra cosa que debemos tener en cuenta: podríamos percibir cualquier cosa que se mueva a la velocidad de la luz o cerca de ella como si fuera luz. La percepción humana, limitada por la velocidad a la que nuestro cerebro procesa la información visual, puede ver los objetos que se mueven rápidamente como luz, porque su velocidad distorsiona nuestros sentidos. Esto sugiere que la velocidad de la luz también podría actuar como un límite perceptivo para nosotros. Por lo tanto, cuando los objetos se acercan a la velocidad de la luz, parecen indistinguibles de la luz. No es que viajar más rápido que la luz sea imposible, pero nuestra biología puede no estar preparada para verlo, lo que agrava el misterio de lo que realmente está sucediendo a tales velocidades.
Y eso no es todo. Cuando se tienen en cuenta los campos gravitatorios y la compresión de la materia, las cosas se ponen aún más interesantes. A medida que los átomos se ven comprimidos bajo campos gravitatorios cada vez mayores, se ralentizan. Piense en ello como si el agua se congelara: cuando el agua se enfría, el movimiento de sus moléculas se ralentiza, aunque nunca se detiene por completo. Pero ¿qué sucedería si, bajo la intensa atracción gravitatoria de un agujero negro, los átomos se contrajeran tanto que se hacer ¿Se llega a un punto de movimiento cero, el cero absoluto? Esta es la temperatura a la que cesa el movimiento atómico y, aunque muchos científicos especulan que es imposible alcanzar el cero absoluto, tal vez dentro de la aplastante fuerza gravitacional de un agujero negro, no es solo una teoría. Podría ser la realidad.
Ya no se trata de una mera percepción: es la física clásica en acción. Las fuerzas nucleares que unen a los átomos y las fuerzas electromagnéticas que los atraen son todas ellas factores que intervienen en el juego, que se contraen bajo el peso de la gravedad extrema. Tanto si hablamos de gravedad cero como de gravedad infinita, los principios son los mismos. A medida que aumenta la gravedad, también lo hace la energía necesaria para moverse dentro de ese campo gravitatorio. Aquí es donde la percepción pasa a un segundo plano frente a lo que realmente está sucediendo. Claro, observamos un aumento de energía, pero esa energía solo es igual a la cantidad de fuerza que se utiliza para empujar un objeto a través del espacio.
Tomemos una estrella que se acerca a un agujero negro. A menudo hablamos de que la estrella “cae” en el agujero negro, pero en realidad es atraída por una inmensa fuerza gravitatoria. ¿Hacia dónde? No hacia un “agujero” en absoluto, sino hacia una esfera gravitatoria masiva, lo que podríamos llamar una superestrella negra. Su gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz tiene suficiente energía para escapar de ella. Las fuerzas en juego aquí, desde la unión nuclear hasta la atracción electromagnética, están trabajando todas juntas, constreñiéndose bajo la enorme presión de los campos gravitatorios. Lo que observamos es casi irrelevante para lo que realmente está sucediendo a menos que queramos convertir esa observación en términos clásicos. Ahora seamos un poco más imaginativos: tomemos el mismo cañón que dispara un proyectil a 300 yardas aquí en la Tierra y llevémoslo a Saturno. Si pudieras estar de pie en Saturno (asumiremos para este experimento que no serás aplastado por su inmensa gravedad), verías que la bala de cañón apenas llega a 10 yardas. La gravedad de Saturno es tan fuerte que consume energía y empuja el proyectil hacia abajo más rápido que aquí en la Tierra. Sin embargo, un observador a distancia podría ver esa bala de cañón elevándose eternamente porque su percepción está distorsionada por el campo gravitatorio.
Relojes atómicos, desintegración biológica y el impacto de la gravedad
Pasemos de la velocidad de la luz a la descomposición biológica y al tiempo mismo. Decimos que el tiempo es sólo una construcción, nuestra manera de dar sentido a los acontecimientos. Tomemos como ejemplo el reloj atómico: este preciso cronometrador utiliza la descomposición de átomos específicos para medir el tiempo con una precisión asombrosa.
Pero si añadimos la gravedad a la mezcla, las cosas se complican. Cuanto más fuerte es la gravedad, más lentamente se desintegran esos átomos. Cerca de un agujero negro, la desintegración atómica se ralentizaría tanto que prácticamente se necesitaría una eternidad para terminar una partida de ajedrez. Esto es más que una mera percepción: es física clásica en acción. Lo mismo ocurre con la desintegración biológica. Los efectos de estiramiento temporal de la gravedad harían que los seres vivos envejecieran más lentamente en campos gravitatorios intensos. Si nos alejamos demasiado de la gravedad, las cosas podrían desintegrarse más rápido; quién sabe, incluso podríamos envejecer hasta dejar de existir. La gravedad, en cierto sentido, es como la relojero universal, avanzando más o menos rápido según lo cerca que estés de su atracción gravitatoria. El tiempo no es fijo: se estira y se contrae en función de las fuerzas en juego.
Viajes más rápidos que la luz y energía
Aquí hay otra bola curva: viajar más rápido que la luz. La física clásica dice que a medida que te acercas a la velocidad de la luz, las demandas de energía se disparan, volviéndose teóricamente infinitas porque su masa aumenta con la velocidad. Pero cuando reemplazamos la masa por w/g (peso dividido por la gravedad), estamos introduciendo una idea en la que los campos gravitatorios podrían reducir la masa efectiva. Y es cierto: si se tienen en cuenta las fuerzas gravitacionales, a medida que aumentan, los efectos sobre la masa cambian. Esto significa que las demandas de energía podría Disminuir en las circunstancias adecuadas. La física clásica sugeriría de hecho que a medida que la masa disminuye (o se acerca a cero), la energía disminuye. Esto indica que, en campos gravitatorios extremos, como los que se encuentran cerca de los agujeros negros, en condiciones gravitacionales extremas, viajar a velocidades superiores a las de la luz no es tan imposible después de todo.
Ahora bien, en un campo gravitatorio intenso (como cerca de un agujero negro), los objetos experimentan una “deformación del espacio-tiempo” significativa. Si la masa disminuye a medida que aumenta la gravedad (lo que coincide con algunas ideas especulativas de la relatividad general y la teoría cuántica), la energía necesaria para acelerar podría, en teoría, disminuir, superando potencialmente los límites conocidos de la velocidad de la luz. Propongo que no es imposible, sino increíblemente difícil en función de nuestro conocimiento actual y de los límites tecnológicos.
Aprovechar la energía de un agujero negro
Tomemos una estrella que se acerca a un agujero negroA menudo hablamos de la estrella que “cae” en el agujero negro, pero en realidad, está siendo atraída por una inmensa fuerza gravitatoria. ¿Hacia dónde? No hacia un “agujero” en absoluto, sino hacia una esfera gravitatoria masiva, lo que podríamos llamar una superestrella negra (mi teoría es que una estrella negra es una estrella masiva que no se ha convertido en un agujero negro. Tiene la fuerza gravitatoria suficiente para evitar que la luz escape, pero no un horizonte de sucesos). Su gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz tiene suficiente energía para escapar de ella. Las fuerzas en juego aquí, desde la unión nuclear hasta la atracción electromagnética, están trabajando todas juntas, constreñiéndose bajo la enorme presión de los campos gravitatorios. Lo que observamos es casi irrelevante para lo que realmente está sucediendo a menos que queramos convertir esa observación en términos clásicos.
Ahora, volvámonos aún más cosmológicamente salvajes: ¿qué pasaría si pudiéramos aprovechar la energía colosal cerca de un agujero negro (algo que todavía estamos lejos de lograr)? ¿Es concebible que pudiéramos manipular el espacio-tiempo mismo? Las ecuaciones de Einstein no prohíben explícitamente los viajes más rápidos que la luz, solo establecen condiciones difíciles, como la necesidad de formas exóticas de energía o materia (como la energía negativa o la antimateria) para crear algo así como una "burbuja de deformación". ¿Qué pasaría si el uso de la energía de un agujero negro para manipular la masa de un objeto y los requisitos de energía se basara en un concepto similar? La energía de un agujero negro podría, teóricamente, reducir la masa de un objeto o deformar el espacio-tiempo de maneras que le permitan eludir la barrera de la velocidad de la luz; más allá de la barrera de la luz; una especie de eslogan cómico. Esto no está muy lejos de ideas como la Paseo de Alcubierre—un concepto hipotético— que propone moverse más rápido que la luz deformando el propio espacio-tiempo. Los agujeros negros podrían ser el atajo de la naturaleza para superar el límite de velocidad cósmica, deformando el espacio-tiempo lo suficiente para llevarnos adonde queremos ir, más rápido que la luz, pero sin romper ninguna ley universal importante.
Partículas que aparecen y desaparecen
Hablando de romper las reglas, ¿alguna vez has oído hablar de partículas virtuales? En el campo cuántico, estos pequeños seres aparecen y desaparecen tan rápido que te mareas. Es como si estuvieran tomando prestada energía del universo y luego se escabulleran antes de que nadie se dé cuenta. ¿Y si estas partículas en realidad se estuvieran moviendo más rápido que la luz, atravesando una realidad que simplemente no podemos percibir?
La idea no es tan descabellada. Si algo supera su propia luz, parecería parpadear y desaparecer, como si rompiera las reglas, cuando en realidad solo está jugando con un conjunto de reglas que aún no comprendemos del todo. Bienvenidos a la rareza cuántica.
Reflexiones finales: Percepción y realidad
Einstein no nos estaba dando nuevas leyes, sino una nueva forma de ver las leyes que ya conocíamos. Las matemáticas de la relatividad especial son la herramienta para traducir lo que sucede en estos extremos de la física en algo que podamos comprender con nuestra comprensión clásica. No se trata de cambiar la realidad, sino de ajustar nuestra percepción de la realidad, especialmente cuando las condiciones nos empujan más allá de nuestro marco de referencia habitual.
Ya sea que los átomos se desaceleren y se contraigan bajo el peso aplastante de un agujero negro o que los objetos sean atraídos hacia el campo gravitacional giratorio de una estrella negra (estrella hipotética que no se ha convertido en un agujero negro y no tiene un horizonte de sucesos), la verdad sigue siendo la misma: la física clásica gobierna las fuerzas fundamentales, y la relatividad nos ayuda a decodificar cómo se distorsionan nuestras percepciones en entornos extremos.
Durante cien años, la gente ha tratado la relatividad especial como si fuera una especie de ciencia revolucionaria y alienígena. Pero, en realidad, se trata de un cambio filosófico. Es un marco que nos ayuda a reconciliar lo que vemos con lo que es verdad. Y esa verdad se basa en la física clásica: los objetos siguen siguiendo las mismas reglas, la energía se conserva y la masa no crece misteriosamente; es simplemente la forma en que percibimos esas cosas la que cambia cuando los campos gravitatorios o las velocidades cercanas a la luz toman el control.
Einstein no nos entregó un nuevo libro de reglas, sino las herramientas para conciliar lo que vemos con lo que realmente está sucediendo. Y, a fin de cuentas, ver no siempre es ser. Ésa es la genialidad de Einstein. ¿Y saben qué? Después de un siglo de confusión, ya es hora de que empecemos a hacerlo bien.
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