Hay un libro de física que fue un éxito inesperado: Siete breves lecciones de física de Carlo Rovelli. El libro ofrece una visión accesible de la física para personas que no tienen una formación especializada en el campo. Rovelli cuenta historias y anécdotas sobre los grandes avances en la física, lo que lo hace un libro muy interesante de leer.
Carlo Rovelli es un físico italiano y escritor conocido por sus trabajos en la teoría cuántica de la gravedad y la física cuántica. Es profesor de Física Teórica en la Universidad Aix-Marseille en Francia, y es el autor de varios libros populares de ciencia, incluyendo «Siete breves lecciones de física» y La realidad no es lo que parece.
Rovelli es conocido por su capacidad de hacer de la física un tema accesible y fascinante para el público en general. Además, sus trabajos han sido reconocidos internacionalmente y han sido publicados en algunas de las revistas científicas más prestigiosas del mundo.
Principales ideas de Siete breves lecciones de física
- La teoría general de la relatividad de Einstein surgió de una idea simple pero revolucionaria.
- La mecánica cuántica ha desconcertado a los físicos desde el siglo XX hasta nuestros días.
- Nuestras visiones cósmicas han pasado de estar centradas en la Tierra a ser una pequeña parte de un universo en expansión.
- Nuestro mundo está formado por innumerables partículas elementales y sus interacciones entre sí.
- La relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles y han dado lugar a nuevas teorías.
- El calor es un acontecimiento fortuito, y su explicación es fundamental para explicar la naturaleza del tiempo.
- Los humanos somos parte de este maravilloso mundo descrito por la física moderna.
La teoría general de la relatividad de Einstein surgió de una idea simple pero revolucionaria.
En 1905, un joven llamado Albert Einstein envió tres artículos a una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo, Annalen der Physik .
Sorprendentemente, cada uno de estos artículos ahora se considera digno de un Premio Nobel, pero fue el tercer artículo el que se convirtió en el más famoso ya que contenía la primera teoría de la relatividad de Einstein. Hoy en día, esto se conoce como su teoría de la relatividad especial y esencialmente describe cómo el tiempo es relativo, dependiendo de las condiciones que rodean a la persona que lo experimenta.
Por ejemplo, si viajas lo suficientemente rápido, el tiempo se ralentiza. Entonces, si dejas a tu amigo dando vueltas mientras realizas un rápido viaje en cohete que te lleva alrededor del mundo a la velocidad de la luz, cuando aterrices, el tiempo habrá pasado más lento para ti que para tu amigo que se quedó quieto.
La teoría de Einstein conmocionó a la comunidad científica y le valió notoriedad instantánea. Sin embargo, había una cuestión con la que tenía que lidiar: en ese momento, su teoría estaba en conflicto directo con la teoría de la gravedad de Isaac Newton, que había estado vigente desde el siglo XVII.
La teoría de Newton afirmaba que la fuerza de la gravedad controlaba cómo los planetas y las estrellas interactuaban entre sí y se movían por el espacio. Este fue un gran paso en cómo entendíamos el universo y las leyes que lo gobernaban. Por primera vez, tuvimos un indicio de que había algo invisible trabajando en el vasto vacío del espacio.
Ese espacio aparentemente vacío fue llenado aún más por los físicos británicos Michael Faraday y James Maxwell, quienes presentaron el concepto de campos electromagnéticos. Ahora, junto con la gravedad, existían ondas de radio que podían «transportar» fuerzas eléctricas.
A Einstein le llevó diez años de arduo trabajo, pero finalmente emergió con su teoría de la relatividad general, una obra maestra del pensamiento tan hermosa y elegante que algunos dirían que es comparable al Réquiem de Mozart o la Odisea de Homero.
Un elemento central del pensamiento de Einstein era que, si hay un campo electromagnético, también debe haber un campo gravitacional. El golpe de genialidad de Einstein consistió en llevar esto un paso más allá para teorizar que el campo gravitacional no “llena” tanto el espacio como el propio espacio.
Esto significa que el espacio no es plano: se curva alrededor de objetos masivos como planetas y estrellas y, al hacerlo, el campo gravitacional ejerce una fuerza que evita que las cosas se vayan volando.
El trabajo de Einstein ofreció una plataforma de lanzamiento perfecta para nuevas teorías.
La mecánica cuántica ha desconcertado a los físicos desde el siglo XX hasta nuestros días.
Para la física del siglo XX, hay dos pilares sobre los que se basa todo: la teoría de la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica; sin embargo, las dos tienen muy poco en común.
La mecánica cuántica también recibe el nombre de teoría cuántica y se utiliza para comprender todo lo que sucede cuando nos acercamos al nivel atómico y subatómico, donde residen los átomos y las partículas. Y no sólo nos ha aportado una visión de nuestro universo; También ha conducido a avances significativos en la informática.
Aún así, para la mayoría de nosotros, la mecánica cuántica es un campo de estudio misterioso y casi incomprensible.
La mecánica cuántica tuvo su inicio oficial en 1900, cuando el físico alemán Max Planck estudiaba los campos eléctricos. Al intentar simplificar un cálculo, Planck decidió representar la energía en forma de pequeños paquetes con valores distintos. De esta manera, la energía en los campos eléctricos tenía que asumir valores específicos, en lugar de moverse a lo largo de un espectro continuo. Para su sorpresa, los cálculos de Planck empezaron a funcionar con una precisión asombrosa.
Al final resultó que, estos paquetes de energía eran realmente algo muy real. Cinco años después, Einstein lo confirmaría aún más al demostrar cómo la luz está formada por paquetes de energía que llamamos fotones .
En las décadas de 1920 y 1930, hubo más sorpresas cuánticas cuando el físico danés Niels Bohr hizo un descubrimiento revolucionario sobre los electrones. Bohr descubrió que existen valores limitados y específicos para la cantidad de energía que puede tener el electrón de un átomo. Es más, esta cantidad de energía determina la órbita que tomará un electrón mientras viaja alrededor del núcleo de un átomo.
Pero eso no es todo; Bohr también descubrió que los electrones podían pasar de una órbita a otra. Pero para hacerlo, no se limitan a deslizarse, ya que esto desafiaría los cálculos de Planck, por lo que deben saltar, desapareciendo de una órbita y reapareciendo en otra. Es posible que hayas oído hablar de estos increíbles saltos, como se les llama famosamente saltos cuánticos.
La siguiente revelación en la teoría cuántica vino de otro físico alemán, este llamado Werner Heisenberg, que estaba tratando de explicar el comportamiento inusual de los electrones.
Heisenberg sugirió que puede ser necesaria una interacción, como la observación, para que exista un electrón. Después de todo, si nadie observa un electrón, éste no tiene una posición fija. Y si algo no tiene una posición fija, sólo podemos calcular la probabilidad de dónde podría aparecer a continuación.
El surgimiento de la mecánica cuántica fue un gran paso adelante para la física, ya que generó ecuaciones que utilizan todos los días ingenieros, químicos, biólogos y físicos por igual.
Entonces, echemos un vistazo más de cerca a cómo llegamos allí, comenzando con las primeras ideas sobre el cosmos.
Nuestras visiones cósmicas han pasado de estar centradas en la Tierra a ser una pequeña parte de un universo en expansión.
En la segunda mitad del siglo XX, la mecánica cuántica y la relatividad general se utilizaron para comprender tanto el macrocosmos del universo como el microcosmos de átomos y partículas.
Comencemos con la visión macro y cómo la relatividad general mejoró nuestra comprensión del universo.
Antes de los filósofos griegos, hace unos 26 siglos, la mayoría de la gente consideraba que el mundo era un lugar plano, con un cielo arriba. Pero entonces llegó Anaximandro, un pensador griego que reconoció que el cielo está a nuestro alrededor .
Siguieron más observaciones como ésta de otros filósofos griegos como Parménides y Pitágoras. Pronto se sugirió que la Tierra no era plana sino más bien una esfera. Sin embargo, estos pensadores también sugirieron que los planetas y las estrellas del cielo giraban alrededor de la Tierra.
No fue hasta finales de la Edad Media que Copérnico empezó a cambiar esta visión terrestre cuando puso el sol en el centro, con la Tierra y el resto de estrellas y planetas girando a su alrededor. En esta época, los telescopios estaban aumentando el poder de nuestras observaciones y conocimiento del cosmos. De hecho, parecía como si la Tierra, e incluso todo nuestro sistema solar, fuera una pequeña parte de una galaxia llena de miles de millones de estrellas.
Esto, por supuesto, es un eufemismo, algo que quedó rotundamente claro a principios del siglo XX, cuando los físicos descubrieron que toda nuestra galaxia era sólo una pequeña nube de polvo en un vasto universo de galaxias.
Y fue aquí donde Einstein cambió nuestra percepción del espacio, de plano, como la tranquila superficie del océano, a curvo, como la superficie ondulada de un océano. Einstein también predijo que estas ondas podrían acumular masas tan densas que crearían huecos en la superficie, que con el tiempo se conocerían como agujeros negros.
Finalmente, nuestras observaciones del universo revelaron que se está expandiendo lentamente. Y al revertir esta expansión, podríamos determinar que alguna vez fue un punto pequeño, extremadamente caliente y densamente formado el que explotó, creando el gran ballet cósmico que vemos hoy.
Nuestro mundo está formado por innumerables partículas elementales y sus interacciones entre sí.
Ahora dirijamos nuestra atención al segundo pilar de la física del siglo XX: la mecánica cuántica y lo que nos dice sobre el microcosmos de átomos y partículas del universo.
Una de las primeras cosas que hay que entender son las partículas elementales, que forman el mundo material.
Esto incluye los átomos, que se encuentran en todo lo que puedes ver o tocar. Dentro de cada átomo hay un núcleo, que está rodeado por electrones en órbita , y dentro de cada núcleo hay una colección densamente empaquetada de protones y neutrones .
Si vamos un paso más allá y nos asomamos al interior de los protones y neutrones, podemos encontrar partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Y luego hay partículas que mantienen unidos esos quarks, algo parecido a una especie de pegamento. Inteligentemente, los físicos llaman a estas partículas gluones.
Y luego están los fotones, las partículas que forman la luz que vemos. Junto con algunas más misteriosas y esquivas, como los neutrinos y los bosones, estas son las partículas elementales que forman los componentes básicos de nuestro mundo físico y visual.
Puede que haya mucho que tener en cuenta todos estos elementos, pero desglosarlos de esta manera todavía parece bastante sencillo. Pero la mecánica cuántica nos ha enseñado que las partículas no se comportan de forma mecánica directa. De hecho, muchos de ellos ni siquiera se mueven de forma predecible o geométrica.
La mecánica cuántica también nos ha enseñado que nuestro mundo no está hecho tanto de cosas como de eventos. Incluso una roca, que la mayoría de nosotros consideraría una “cosa”, es en realidad un evento: una disposición única de moléculas que es, en última instancia, temporal. Con el tiempo, el acuerdo se disolverá y se desmoronará. En otras palabras, una piedra no está escrita en piedra.
Lo más cerca que hemos estado de tener una teoría unificadora que explique con más detalle el comportamiento de las partículas es lo que se conoce como modelo estándar de física de partículas. Esto fue desarrollado entre las décadas de 1950 y 1970 y fue iniciado por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y Richard Feynman.
Si bien el modelo estándar ha demostrado ser exitoso en numerosos experimentos, está lejos de ser tan elegante como una de las teorías de Einstein. Más bien, es más bien una caja de fórmulas que no ha recibido el respeto universal de los físicos. Pero podría ser que simplemente estemos esperando que surja otra teoría que vincule claramente estas fórmulas vagamente ensambladas.
La relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles y han dado lugar a nuevas teorías.
Es hora de examinar los dos pilares de la física moderna en relación entre sí. En un mundo perfecto, esto daría como resultado un entrelazamiento perfecto de los universos micro y macro. Pero, lamentablemente, esto no es lo que sucede.
En su forma actual, la relatividad general y la mecánica cuántica están en conflicto.
Ésta es la gran paradoja con la que tienen que lidiar los físicos hoy en día: tomadas por sí solas, ambas teorías son notablemente precisas a la hora de predecir lo que sucede en el universo. Pero cuando intentas unirlos, abundan las contradicciones.
Por ejemplo, cuando utilizamos la relatividad general para observar el espacio, la energía y la materia, estamos mirando un universo curvo y continuo. Pero en la mecánica cuántica, el espacio es plano y la energía viene en paquetes finitos conocidos como cuantos.
Los físicos que trabajan para resolver estas paradojas y encontrar un marco conceptual que sea compatible tanto con las partículas de la teoría cuántica como con la gravedad de la relatividad general pertenecen a un campo conocido como gravedad cuántica.
Entonces, en el mundo de la física ha comenzado la búsqueda de una teoría unificada de la naturaleza, y uno de los principales contendientes hasta ahora ha sido una teoría conocida como gravedad cuántica de bucles (LQG). Esto se basa en la idea de que el espacio está formado por granos imperceptibles llamados bucles.
Los bucles también se conocen como los “átomos del espacio”, pero esto puede resultar engañoso porque esta teoría sostiene que los bucles no se encuentran dentro del espacio sino que son espacio. En cierto modo, esto resuelve en parte la paradoja, ya que significaría que el espacio no es continuo, sino que está formado por granos diminutos.
LQG también sugiere que el tiempo tampoco es continuo. En cambio, el tiempo tiene su propio ritmo variable para cada proceso de la naturaleza.
Por último, pero no menos importante, LQG tiene una idea particularmente alucinante sobre el big bang , el evento explosivo que muchos creen que inició el universo. Según esta teoría, podría haber sido más bien un “gran rebote” si hubiera un universo anterior al actual que colapsara hacia adentro y luego explotara.
El calor es un acontecimiento fortuito, y su explicación es fundamental para explicar la naturaleza del tiempo.
Ahora que nos hemos quedado boquiabiertos, dirijamos nuestra atención a un área diferente de la física que no es menos fascinante: la termodinámica, también conocida como la ciencia del calor.
Sorprendentemente, todo el campo de la termodinámica se originó a partir de una simple pregunta: ¿Qué es el calor? Una forma de considerar el calor es como un evento de pura casualidad.
Si bien hoy sabemos mucho sobre el calor, las cosas eran bastante diferentes a mediados del siglo XIX. En aquel entonces, el calor entraba en la categoría de calóricos o diferentes tipos de fluidos.
Por supuesto, el calor no es un fluido, sino el resultado del movimiento extremadamente rápido de los átomos de un objeto y la fricción que esto crea. Es cierto que los átomos están siempre en movimiento, vibrando y rebotando. Cuanto más rápido vibren, reboten y se muevan, más caliente se volverá el objeto.
Si bien esto puede responder a la pregunta de por qué un objeto se calienta, no explica del todo cómo se transfieren realmente las cantidades de calor. Por ejemplo, si pones una cuchara fría en una taza de café caliente, la cuchara se calentará más. Pero ¿por qué el café no se calienta debido al calor restante en la cuchara que pasa al café?
Según el físico del siglo XIX Ludwig Boltzmann, el calor se transmite cuando objetos fríos y calientes se encuentran simplemente por pura casualidad. No existe ninguna ley de la física que establezca que el calor debe transferirse entre dos objetos; es sólo una cuestión de probabilidad estadística. Entonces, en teoría, cuando un objeto caliente se encuentra con uno frío, el objeto caliente podría calentarse aún más, aunque las probabilidades de que esto suceda son extremadamente bajas.
Otra cosa interesante sobre el calor es que afecta nuestra percepción del tiempo.
Piense en un péndulo que oscila libremente: a medida que oscila en el aire, entra en contacto con los átomos, creando fricción, lo que a su vez genera calor y hace que el péndulo pierda energía con cada oscilación. Al observar cómo sucede esto, sabemos dos cosas: en el pasado, el péndulo oscilaba y, en el futuro, estará en reposo.
Pero ¿y si no hubiera fricción y, por tanto, no hubiera calor? Si este fuera el caso, el péndulo tendría libertad para seguir oscilando indefinidamente y todo nuestro sentido del pasado, presente y futuro (y, por tanto, toda nuestra noción del tiempo) se perdería.
Los humanos somos parte de este maravilloso mundo descrito por la física moderna.
Los seres humanos somos curiosos por naturaleza. Y, en este sentido, los físicos y quienes observan y teorizan sobre el mundo que los rodea son una extensión de nuestros primeros ancestros, quienes notaron huellas de antílopes en las praderas de la sabana.
La curiosidad es la que llevó al ser humano a aventurarse en tierras desconocidas. Y una vez que pudimos encontrarnos en todos los rincones del mundo, fuimos a la luna. Desde el principio, nunca dejamos de buscar descubrir hasta el último secreto de nuestro universo.
Al estudiar el universo, puede olvidarse que los humanos no somos simplemente observadores externos: somos parte del fascinante universo que la física moderna está desentrañando. De hecho, somos en gran medida un producto de las leyes de la naturaleza en el corazón de la física.
Por ejemplo, los átomos que se encuentran en las estrellas de galaxias distantes son los mismos átomos que se encuentran en el árbol de su parque local, así como en todos los seres humanos del planeta. Lo que nos hace únicos son nuestros pensamientos, nuestro sentido de la moralidad, nuestros sentimientos y nuestra conciencia, pero estos también son parte del mundo que describe la física moderna.
Algunos aspectos de la filosofía humana también forman parte de lo que la física espera comprender, como la cuestión del libre albedrío.
La física trata sobre las leyes de la naturaleza y cómo no sólo nos permiten comprender los eventos sino también predecir lo que sucederá antes de que suceda. Generalmente, sentimos que tenemos libre albedrío y que nuestras acciones son únicas y no pueden ser predeterminadas por la ciencia. Y, en cierto sentido, todos somos libres de tomar nuestras propias decisiones, de actuar en función de lo que pensamos y no de lo que decida alguna fuerza externa.
Sin embargo, el comportamiento humano no existe fuera de las leyes de la naturaleza. Nuestras decisiones están tan determinadas por ellos como cualquier otro evento. El funcionamiento del cerebro humano está destinado a comportarse de forma natural, del mismo modo que todas las cosas en el universo tienen un destino determinado.
Una cosa que ciertamente no se puede negar es la muerte. Ya sea una flor, un ser humano o una estrella en el cielo, todo nace y eventualmente muere. Las especies aparecen, prosperan y se extinguirán.
Este es el ciclo de acontecimientos en el universo y nos dice que llegará el día en que nuestra especie desaparecerá. Pero hasta que llegue ese día, nunca dejaremos de buscar descubrir.
Libros complementarios a Siete breves lecciones de física
Si te gustó Siete breves lecciones de física te recomendaría leer:
- Breves respuestas a las grandes preguntas de Stephen Hawking. Este libro ofrece una visión más amplia de las grandes preguntas de la ciencia y la filosofía, incluyendo la física, la astrofísica y la cosmología.
- El Tejido del Cosmos de Brian Greene: Ofrece una visión detallada de la física cuántica y de la teoría de la relatividad, y explora cómo estas teorías pueden aplicarse a la comprensión de la realidad.
Ambos libros son accesibles para un público general y ofrecen una mirada profunda y fascinante a algunas de las grandes preguntas de la ciencia.
Foto de JESHOOTS