¿Transcurre el tiempo más deprisa en Jaén que en el ecuador?

 

Imaginemos dos relojes atómicos idénticos: uno en Castellar, en la provincia de Jaén, y otro en Puerto Misahuallí, una localidad ecuatoriana situada prácticamente sobre el ecuador. Ambos se encuentran a una altitud parecida, unos 760 y 817 metros sobre el nivel del mar, respectivamente. Sin embargo, hay una diferencia importante entre ellos: la velocidad con la que se desplazan debido a la rotación terrestre.
La Tierra completa una vuelta sobre su eje aproximadamente cada 24 horas. Pero, mientras que en Castellar la superficie se mueve a unos 1.315 km/h, en Puerto Misahuallí lo hace a unos 1.670 km/h. No es que la Tierra gire más deprisa en el ecuador: su velocidad angular es prácticamente la misma en todas las latitudes. Lo que sucede es que, cerca del ecuador, cada punto recorre una circunferencia mayor en el mismo tiempo.

Según la relatividad especial de Einstein, un reloj en movimiento acumula menos tiempo que otro en reposo respecto al sistema de referencia elegido. Si consideramos exclusivamente la velocidad de rotación, el reloj ecuatoriano avanzaría unos 38 nanosegundos diarios menos que el de Castellar. En un año, la diferencia rondaría los 14 microsegundos: una cantidad diminuta, pero medible con instrumentos suficientemente precisos.
Sin embargo, la historia no termina ahí. La relatividad general predice que los relojes situados a mayor potencial gravitatorio avanzan más deprisa. Como Puerto Misahuallí está algo más elevado, este efecto favorece ligeramente al reloj ecuatoriano. Además, intervienen la forma achatada de la Tierra y la distribución de su masa.

Puerto Misahuallí está a unos 817 metros sobre el nivel del mar, mientras que Castellar se encuentra aproximadamente a 760. Esa diferencia de unos 57 metros favorece ligeramente al reloj ecuatoriano. Si considerásemos únicamente la diferencia de altitud, el adelanto sería del orden de cinco nanosegundos diarios.
Pero hay una sutileza importante: no basta con sumar este efecto al producido por la velocidad de rotación. La gravedad, la forma achatada de la Tierra y su movimiento están relacionados. Para establecer qué reloj acumula finalmente más tiempo hay que comparar el potencial gravitatorio efectivo de ambos lugares, no solo sus velocidades y altitudes.

En consecuencia, no podemos afirmar con rigor cuál de los dos relojes ganaría sin disponer de un cálculo geodésico suficientemente preciso. Lo que sí sabemos es que ambos efectos son reales y que los relojes atómicos modernos permiten medir diferencias extraordinariamente pequeñas.

 

La relatividad nos enseña así una lección inesperada:

 

la velocidad puede ralentizar un reloj, mientras que una posición de mayor potencial gravitatorio puede acelerarlo. El tiempo que acumula cada reloj depende del equilibrio entre ambos efectos.

La comparación entre Castellar y Puerto Misahuallí nos permite comprender una de las ideas más sorprendentes de la física moderna: el tiempo no transcurre exactamente al mismo ritmo en todas partes. La velocidad a la que nos movemos y el campo gravitatorio en el que nos encontramos influyen en la cantidad de tiempo que medimos.

Aunque la diferencia entre ambas localidades es insignificante para nuestra experiencia cotidiana, no lo es desde el punto de vista científico. Los relojes atómicos pueden detectar variaciones diminutas que confirman las predicciones de Einstein. De hecho, estos efectos deben tenerse en cuenta en sistemas tecnológicos como el GPS, cuyos relojes necesitan correcciones relativistas para ofrecer posiciones precisas.

Sin embargo, sería precipitado afirmar que en Castellar el tiempo transcurre más deprisa que en Puerto Misahuallí o, al contrario, sin calcular con precisión el potencial gravitatorio de ambos lugares. La mayor velocidad de rotación del ecuador tiende a ralentizar los relojes, mientras que las diferencias de altitud y de potencial gravitatorio pueden modificar e incluso invertir el resultado.
La conclusión más profunda no consiste, por tanto, en averiguar qué localidad gana esta diminuta carrera, sino en comprender que no existe un tiempo universal que todos los observadores midan de idéntica manera. Cada reloj registra el tiempo que transcurre a lo largo de su propia trayectoria por el espacio-tiempo.

El tiempo nos parece una corriente uniforme en la que todos vivimos por igual. La física, sin embargo, revela que esa uniformidad es una aproximación de nuestra experiencia cotidiana: en las profundidades de la naturaleza, hasta el paso de los segundos depende de dónde estamos y de cómo nos movemos.

ALTRUISMO ¿Por qué una abeja estaría dispuesta a morir por otras... y un humano quizás también lo haría por otro humano?

 

imagen wikipedia

Una abeja obrera puede lanzarse contra un intruso para defender la colmena y morir durante el ataque. Y lo curioso es que probablemente nunca tendrá descendencia.

Entonces... ¿Qué sentido tiene desde el punto de vista de la evolución?

La selección de parentesco, desarrollada por el biólogo W. D. Hamilton, ofrece una explicación: aunque la abeja no tenga hijos, comparte muchos genes con sus hermanas. Al protegerlas, aumenta indirectamente las posibilidades de que esos genes continúen en las generaciones futuras.

Hamilton lo resumió así:

r × B > C  

Lo que quiere decir es que, si el beneficio para los familiares (B), teniendo en cuenta el grado de parentesco (r), supera el coste para quien ayuda, el comportamiento altruista puede favorecerse evolutivamente (C).

Pero en los seres humanos la historia se vuelve mucho más interesante. Nosotros no ayudamos solamente a nuestros familiares. Ayudamos a amigos, vecinos e incluso a desconocidos que jamás volveremos a ver.

Aquí entra la sociología. Las normas sociales, la educación, la reciprocidad, la reputación y la cultura pueden ampliar enormemente nuestro círculo de cooperación. Aprendemos que ayudar, compartir o cuidar de otros son comportamientos valorados y, en muchas sociedades, también existen instituciones creadas precisamente para organizar esa ayuda.

Así que quizá el altruismo humano tenga dos historias entrelazadas: una escrita por la evolución y otra escrita por la cultura. La biología pudo enseñarnos a cuidar de los nuestros. La cultura nos enseñó que "los nuestros" podían ser cada vez más.

Y quizá una de las grandes aventuras de la humanidad haya sido precisamente esa: convertir un instinto nacido en la familia en una capacidad para cooperar con millones de desconocidos. En humanos, muchas conductas se producen entre personas que no son familiares: imitamos, enseñamos, copiamos normas y transmitimos comportamientos que pueden beneficiar al grupo.

Ayudar a un desconocido puede no aumentar directamente nuestra reproducción ni beneficiar a un pariente, pero sí puede mejorar nuestra reputación y favorecer que otros cooperen con nosotros posteriormente. 

Por otra parte, según la sociología evolutiva, existe la norma: "Debemos ayudar a quien pertenece a nuestro grupo".

Y esa norma puede mantenerse mediante reputación, aprobación social, castigo al egoísta y educación. 

Así, el comportamiento altruista deja de depender exclusivamente de los genes que compartimos y pasa a depender también de:

•  ¿Pertenecemos al mismo grupo?
•  ¿Cooperamos habitualmente?
•  ¿Qué pensarán los demás de mí?
•  ¿Qué ocurrirá si nadie coopera?

Los modelos actuales estudian conjuntamente evolución genética y evolución cultural: 

Los genes predisponen y la siguiente ecuación dispone.

PARENTESCO + RECIPROCIDAD + REPUTACIÓN + NORMAS SOCIALES + CULTURA + SELECCIÓN DE GRUPO + INTERACCIÓNES SOCIALES = ALTRUISMO

Somos energía ralentizada

 

Somos energía ralentizada; por eso precisamente existimos como materia, porque existe el tiempo y el espacio (la velocidad). Y nuestra existencia se debe, además de a la gravedad y a las interacciones débil y fuerte, al bendito electromagnetismo, que es el que mantiene a los átomos de nuestra materia cohesionados e interactúa con el espacio y el tiempo mediante fotones, que son los que crean la ilusión y el orden en el cosmos, gracias a su extraordinaria y sobrecogedora velocidad. Y en la velocidad está también el orden (unos antes y otros después, este aquí y aquel acá, tú allí y yo acullá), ese orden de creación y destrucción en medio de la entropía como artífice de nuestra existencia.

La verdad de lo que somos, de lo que escribimos, de quien nos enamoramos... es nuestra verdad; la verdad de cada uno, que nunca es exactamente igual a la de los demás, por mucho que esta se aproxime.

Así, tú eres único; yo soy único; aquel es único... porque existimos.

Lo curioso es que algunos, aunque han muerto hace mucho tiempo, aún existen en nuestra realidad presente y existirán en el futuro. Son aquellos que se diferenciaron de la masa dejando un resplandor diferente, en forma de información exclusiva y especial que persiste a través del tiempo: su arte, su obra, su pensamiento, su maquiavélica maldad o su excelsa bondad... algo que perdurará a través de los siglos como información, pura y llanamente información.

Eso creo yo que somos.

¿Qué opinas tú al respecto?

LIGO. Propagación y detección de ondas gravitacionales.

 

Todos sabemos que, cuando un objeto golpea el agua de un estanque, se generan ondas que se propagan por su superficie. Pero la onda no es un objeto independiente que viaje sobre el agua. Lo que existe físicamente es una perturbación de la superficie del agua que se desplaza de un lugar a otro. La onda es la forma en que esa perturbación se propaga.

Algo parecido sucede con las ondas gravitacionales. No son una especie de objeto que viaje por el universo, sino una perturbación que se propaga en la propia geometría del espacio-tiempo. Según la teoría de la relatividad general, el espacio y el tiempo no constituyen un escenario rígido e inmutable, sino que pueden deformarse. Y esas deformaciones pueden propagarse en forma de ondas.

Cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan, el efecto podría compararse, salvando las enormes distancias que existen entre ambas situaciones, con golpear violentamente el centro de un estanque. Solo que, en este caso, el «estanque» sería el propio espacio-tiempo y el golpe tendría una intensidad inimaginable.

También podríamos imaginar una enorme tarta de gelatina. Si hiciéramos explotar un petardo en su interior, la gelatina se deformaría y esa perturbación se propagaría hacia el exterior en forma de ondas. No habría una cosa llamada «onda» desplazándose por la gelatina: lo que se desplazaría sería la perturbación de la propia gelatina.

Con el espacio-tiempo sucede algo parecido, aunque la comparación tiene sus límites, porque el espacio-tiempo no es una sustancia material como la gelatina. Cuando dos agujeros negros se fusionan, una parte de la energía del sistema se emite en forma de ondas gravitacionales, es decir, como pequeñas perturbaciones que se propagan por el espacio-tiempo a la velocidad de la luz.

Y ahí es donde entra en juego LIGO.

Cada uno de los dos detectores de LIGO tiene dos brazos perpendiculares de cuatro kilómetros de longitud. Por ellos circulan haces de luz láser que son reflejados por espejos situados en los extremos y regresan al punto de partida. El sistema está diseñado para comparar con una precisión extraordinaria la distancia recorrida por los dos haces.

Cuando una onda gravitacional atraviesa el detector, el espacio-tiempo se estira ligeramente en una dirección y, al mismo tiempo, se comprime en la dirección perpendicular. Después ocurre lo contrario: el primer brazo se comprime mientras el otro se estira. Este proceso se repite mientras pasa la onda.

La variación es extraordinariamente pequeña. Tan pequeña que, en los brazos de cuatro kilómetros de LIGO, puede ser del orden de (10^{-18}) metros: muchísimo menos que el tamaño de un protón. En realidad, lo que importa no es tanto el cambio absoluto de longitud como la relación entre ese cambio y la longitud total del brazo, una magnitud que los físicos denominan strain.

¿Cómo puede detectarse algo tan diminuto?

Mediante la interferencia de la luz. Si los dos brazos mantienen exactamente la misma longitud efectiva, los dos haces de láser regresan al punto de encuentro en una determinada relación de fase. Pero cuando una onda gravitacional modifica ligeramente la longitud de los brazos, aunque sea de una manera inimaginablemente pequeña, esa relación cambia. La luz produce entonces un patrón de interferencia diferente, y los instrumentos pueden registrar ese cambio.

A partir de esa señal, los científicos pueden reconstruir lo que ocurrió. No basta con medir simplemente la intensidad de la perturbación para saber automáticamente a qué distancia se produjo o qué masas participaron. La señal contiene una forma característica que cambia con el tiempo, y los investigadores la comparan con modelos calculados mediante las ecuaciones de la relatividad general.

De esa comparación pueden inferir las propiedades del acontecimiento: las masas de los agujeros negros, su movimiento, la distancia aproximada a la que se produjo la fusión y la cantidad de energía que fue emitida en forma de ondas gravitacionales.

Eso es, en realidad, lo extraordinario de LIGO: no estamos viendo directamente cómo chocan dos agujeros negros. Estamos detectando, aquí en la Tierra, la diminuta huella que dejó aquel acontecimiento en la propia geometría del espacio-tiempo después de viajar durante miles de millones de años por el universo.

La primera detección directa, realizada en 2015, procedía de la fusión de dos agujeros negros de unas 36 y 29 masas solares, situada a unos 1.300 millones de años luz. Aproximadamente tres masas solares de energía fueron radiadas en forma de ondas gravitacionales durante una fracción de segundo.

Analizando la esencia de los campos cuánticos. Parte I.

 

¿El nacimiento de un universo?

Quizás nuestro universo sea una gigantesca burbuja de energía en expansión, nacida de la singularidad de un colosal agujero negro que, en un momento dado y debido a procesos físicos aún desconocidos, alcanzó un estado crítico capaz de desencadenar una inmensa liberación de energía. Esta habría perforado la brana sobre la que se sustentaba, permitiendo que la energía fluyera hacia el otro lado y diera origen a un nuevo universo. Si este mecanismo pudiera repetirse indefinidamente, cada universo sería el hijo de otro anterior, formando una sucesión infinita de nacimientos cósmicos.

La inmensa densidad de energía confinada en la singularidad del universo predecesor ejercería una presión extraordinaria sobre la brana que lo sustentaba, deformándola progresivamente hasta generar un abombamiento que constituiría el embrión del nuevo universo. Durante un breve intervalo, la tensión de la propia brana contendría esa enorme concentración de energía hasta que, al superar su límite de resistencia, acabaría desgarrándose. A través de esa ruptura, la energía fluiría violentamente hacia el otro lado de la brana, expandiendo el espacio-tiempo naciente y desencadenando el proceso que hoy identificamos como el período inflacionario del universo.

La energía, una vez liberada, comenzaría a expandirse y, con ello, a enfriarse. El descenso progresivo de la temperatura propiciaría una serie de transiciones de fase mediante las cuales la energía primordial se organizaría en los distintos campos cuánticos fundamentales y en las partículas asociadas a ellos, dando origen a la materia y a las interacciones fundamentales que estructuran el universo. Sin embargo, no toda la energía liberada llegaría a condensarse en estas formas. Una pequeña fracción permanecería ligada a la propia estructura del espacio-tiempo naciente como una manifestación de la tensión residual de la brana que dio origen al nuevo universo. Esta energía del vacío, distribuida uniformemente por todo el cosmos, se identificaría con la constante cosmológica (Λ) y actuaría como el motor de la expansión acelerada del universo, conservando así la huella física del proceso que le dio origen.

Naturalmente, esta propuesta no pretende presentarse como una teoría física establecida, sino como una hipótesis cosmológica especulativa destinada a explorar una posible explicación del origen del universo, de la inflación primordial y de la constante cosmológica (Λ) a partir de un mismo mecanismo fundamental. Las próximas entregas desarrollarán cada uno de estos conceptos con mayor profundidad.

La expansión del universo

 

Un universo con dos relojes... que no marcan la misma hora

Imagina que quieres saber qué hora es y tienes dos relojes muy buenos. Pero uno dice que son las 10:00 y el otro que son las 10:10. Eso es exactamente lo que está pasando con el universo. Los científicos usan distintas formas de medir cómo de rápido se está expandiendo el cosmos, lo que se conoce como la constante de Hubble. Un método observa el universo muy antiguo, analizando la luz más antigua que existe. Otro método mide galaxias y estrellas más cercanas, es decir, el universo actual. Y aquí está el problema: no coinciden. Durante años se pensó que uno de los métodos estaba equivocado. Sin embargo, observaciones más recientes y precisas indican que ambos son correctos. Entonces surge una pregunta inquietante: ¿qué está pasando? La respuesta más probable es que nuestro conocimiento del universo está incompleto. Puede que exista algún fenómeno que todavía no entendemos, relacionado con componentes misteriosos como la energía oscura. La idea clave es sencilla pero profunda: el universo no encaja del todo con nuestras teorías actuales. Y cuando eso ocurre, en ciencia, suele ser el inicio de un gran descubrimiento.