Archive for the ‘Física’ Category

Nuevas creaciones literarias

mayo 21, 2018

9788416637782Tengo la satisfacción de comunicar la aparición en el mercado de mi última creación literaria. Un ensayo sobre física que explora los misterios de un mundo posible de la ciencia ficción, ese tan popular cuya proyección vemos en las pantallas de los cines que está poblado por héroes con poderes, como si de un universo real existen ahí fuera se tratase. Una forma divertida de explorar las implicaciones de conceptos como los de multiverso, energía oscura o los autómatas celulares en un contexto especulativo. Pero al igual que los habitantes de dicho universo, la épica de los conceptos de la física puede ir más allá para sorpresa y divertimento del lector. En las fronteras de la cosmología y la física teórica se encuentran cosas maravillosas y espectaculares que son el objeto de análisis de este ensayo con calificación de apto para todos los públicos.

¿Para qué sirve la física? Una respuesta a través de William Blake

agosto 17, 2017

Quienes hemos estudiado física hemos tenido que escuchar muchas veces la siguiente pregunta: ¿y eso para qué sirve? Quizá la mejor respuesta no está en las declaraciones de los científicos, ni en el examen exhaustivo de las oportunidades del mercado laboral. Creo que en donde está mejor expresado es en unos famosos versos de William Blake:

To see a world in a grain of sand,
And a heaven in a wild flower,
Hold infinity in the palm of your hand,
And eternity in an hour.

Creo que ahora está muy claro para qué sirve la física. Y si esto no se entiende, poco más se puede decir al interlocutor, pues habita en un universo poético y semántico muy distinto del nuestro.

La muerte térmica del universo en los orígenes de la ciencia ficción

mayo 25, 2017

El paso del tiempo es un juez severo y al mirar hacia atrás a veces puede observarse cuán largo ha sido el camino por el caminante al andar. Esto resulta más inquietante que la formación de las canas y la aparición de otros signos del envejecimiento, un proceso que comienza prácticamente desde el momento en que nacemos. Este tipo de procesos no sólo rige nuestras vidas, sino que también lo hace con la evolución del propio universo. De hecho este es uno de los grandes descubrimientos de la ciencia del siglo XX. Las inquietudes del futuro están claras para nosotros, está claro cuál es nuestro final, aunque la incertidumbre está en el cómo y el cuando. Pero como podéis imaginar, en el caso de un universo la cuestión no está tan clara, y eso compete a una disciplina que podríamos denominar escatología física. La del estudio del futuro del universo aplicando las leyes de la física. De paso, las proyecciones sobre la evolución cosmológica pueden aportar información sobre cuál podría ser el futuro de la vida.

Mi interés por la escatología física ha sido una constante durante años, recopilando literatura científica sobre el tema, leyendo obras de literatura fantástica o ciencia ficción sobre el tema, y estudiando estas temáticas desde diferentes puntos de vista. Mucho tiempo, porque podría decirse que comencé a interesarme verdaderamente por el tema tras la lectura de La física de la inmortalidad de Frank Tipler, uno de esos libros que cualquier persona aficionada a la ciencia ficción debería de tener en su biblioteca, aunque ya me había acercado a él con algunas lecturas de obras de Freeman Dyson cuando aún estaba en el instituto. Pero aunque los autores que me introdujeron en este mundo fascinante son contemporáneos las reflexiones en torno al fin del universo pueden remontarse, al menos, al siglo XIX. Y tienen una estrecha relación con el desarrollo de la moderna literatura de ciencia ficción.

En un principio el punto de vista desarrollado en la ciencia moderna desde las aportaciones de Copérnico y Kepler a la cosmogonía era la asunción de un universo infinito en el tiempo, y probablemente en el espacio, para evitar la cuestión del origen. Incluso creacionistas como Newton, que consideraban como un hecho incuestionable la acción de Dios en la creación en un tiempo pasado finito, no entraban en los detalles sobre los procesos del creador. Aunque Descartes planteó un escenario de la creación del Sistema Solar naturalista (pero con la suficiente intervención de Dios como para no ser objeto de la mirada de la Santa Inquisición), esto no pasaba de ser una mera especulación filosófica poco sustentada en una física precisa. Pero esto cambió cuando Buffon y Kant propusieron mecanismos físicos basados en la mecánica clásica mediante los cuales podría haberse formado el Sistema Solar, siendo finalmente la hipótesis nebular de Laplace la primera teoría cosmogónica científica rigurosa, con una sólida base en la física y las matemáticas. Pero no se planteaba ninguna cuestión sobre el origen o final del universo en su conjunto. A pesar de que la física newtoniana implica necesariamente escenarios que anticipan los de la cosmología moderna. Pero sobre todo, de sí que existían buenos motivos para plantearse una evolución del universo. Fundamentalmente, lo que se conoce como paradoja de Olbers.

Formulada por Heinrich Olbers en 1826 establece a partir de unas hipótesis físicas razonables que si en un universo con una extensión infinita, la luz que deberíamos recibir de las estrellas habría de ser infinita. Y esto no era lo que se observaba. Se propusieron diversos mecanismos físicos que implicasen una atenuación de luz pero resultaron inconsistentes. Una solución a la paradoja sería admitir un universo de una extensión espacial finita o con un número finito de estrellas. Pero otra opción sería considerar una extensión en el tiempo finita. Y a pesar de parecer una solución obvia a la paradoja, la idea de una duración finita del universo no gozó de gran aceptación. Posiblemente el primero en asociar la paradoja de Olbers con la finitud en el tiempo del universo fue Edgard Allan Poe en Eureka, en una obra en poema en prosa que puede considerarse como una de las primeras obras de ficción científica con componente escatológico, pero el mérito académico perteneció a Johann Mädler, autor además de una de las obras de divulgación de la astronomía más populares del siglo XIX. Pero este tipo de argumentos no fueron determinantes para que la comunidad científica de entonces se plantease la posibilidad de un origen y un final del universo. Los catalizadores de la fiebre por lo escatológico serían las dos mayores revoluciones conceptuales de la ciencia en el siglo XIX: el desarrollo de la termodinámica y la teoría de la evolución de Darwin.

Aunque la idea de evolución no era nueva, ya que podemos encontrar precedentes incluso entre los grandes pensadores jónicos y en el poema de Lucrecio y desde luego en diferentes naturalistas en la primera mitad del siglo, fue el mérito de Darwin y Wallace desarrollar una teoría con un mecanismo para explicar al evolución, la selección natural. El tremendo impacto de la teoría de Darwin es por todos conocido, pero lo que aquí nos interesa es que demostraba inequívocamente que la vida está sujeta a los cambios. Pero esto no implicaba una evolución de los fenómenos fuera del mundo de la transmutación de las especies y creo que fue más determinante el desarrollo de la termodinámica, sobre todo la formulación del segundo principio. El descubrimiento de que la entropía aumenta en un sistema cerrado, lo que implica que no toda la energía puede aprovecharse para realizar trabajo útil y que una fracción se disipa en forma de calor. Las consecuencias de este principio son muy importantes, ya que implica que en un sistema cerrado si se deja evolucionar el tiempo suficiente, no se podrá producir trabajo útil y toda la energía disponible se transformará en calor. Su aplicación al problema del origen del Sistema Solar fue estudiada por Hermann von Helmholtz y William Thomson (lord Kelvin). Es famoso el artículo de este último donde obtiene una edad para el Sol mucho menor de la que se podría deducir entonces de los datos geológicos y de la teoría de Darwin.

Pero al hacer esto Kelvin también estaba sugiriendo implícitamente un final del Sistema Solar por el enfriamiento del Sol en un tiempo finito. El mismo argumento podría aplicarse al universo en su conjunto y esto fue lo que hizo Rudolf Clausius en 1865 en un artículo titulado Die energie der Welt its konstant; die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu. En él mostraba que supuesto el universo como un sistema cerrado de los dos principios de la termodinámica se deduce que en algún momento debería de alcanzarse un máximo de entropía. Clausius denominó a esto la muerte térmica del universo.

9788415988755La influencia de estas ideas en la literatura fantástica son difíciles de cuantificar, pero aquí quiero comentar fundamentalmente dos obras. En primer lugar uno de los clásicos indiscutibles del género de todos los tiempos: La máquina del tiempo de Herbert George Wells. Aunque es sobre todo una distopía que proyecta la estructura de clases de la sociedad industrial de entonces en un futuro lejano también es deudora de las derivaciones filosóficas de la evolución darwiniana y la termodinámica. Wells era muy consciente de que la selección natural no implica un progreso teleológico lo que puede dar lugar a una evolución de la especie humana como la que se encuentra el viajero del tiempo en un futuro remoto. No sólo eso, sino que la propia evolución podría dar lugar a especies completamente ajenas a los humanos actuales.

Pero la parte verdaderamente escatológica de la novela es el fragmento del viaje hacia el futuro más lejano del protagonista de la historia. Esta parte del relato es deudora de las ideas popularizadas en la literatura científica sobre la muerte del Sistema Solar, herederas de los cálculos de Kelvin. De hecho, el viajero del tiempo se encuentra con una Tierra fría y un Sol moribundo. Un mundo extraño en decadencia, en donde la vida trata de adaptarse aunque sabemos que en algún momento perecerá. Esta visión de Wells sobre el futuro último de la vida en el Sistema Solar es pesimista y es una síntesis de la proyección de predicciones basadas en la selección natural y la termodinámica.

Otra novela en la que el fin del Sistema Solar ocupa un papel destacado en la historia es la obra maestra del horror cósmico de William Hope Hodgson: La casa en el confín de la Tierra. En ella se narran las experiencias de un hombre solitario que junto con su hermana y su perro habita una misteriosa casa en un paraje indeterminado de Irlanda. En torno a la vivienda parece residir lo que en la literatura fantástica actual se denominaría un portal a otros mundos. A través de él puede visitar algunos de ellos pero también es asediado por criaturas misteriosas y siniestras. Nunca tenemos claro si sus viajes son físicos o mentales, pero siempre inquietantes.

Entre sus experiencias se narra un viaje psíquico o astral a un futuro lejano en el que el protagonista asiste el fin del propio Sistema Solar. Como en el caso de Wells nos presenta una Tierra sumida en la oscuridad y el frío. Pero Hogdson va más allá y especula sobre cómo podría ser el proceso de enfriamiento del Sol, hasta convertirse en un astro frío y muerto. En la primera parte de la narración se considera una extrapolación rigurosa a partir de la ciencia del momento. Pero Hodgson va más allá hacia el final de este episodio de la novela, ya que sugiere que el destino del Sol es acabar chocando contra un gigantesco sol central. Fue precisamente Johann Mädler quien propuso la hipótesis, a mediados del XIX, de que a partir del movimiento propio de las estrellas en la galaxia podría deducirse la existencia de un sol central muy masivo, ubicado en el cúmulo estelar de las Pléyades y en torno al cual girarían todos los sistemas estelares. Esta hipótesis la popularizó en su obra de divulgación de la astronomía que seguramente fuese la fuente en que se inspiró Hogdson. Sin embargo en la época de la redacción del relato tal hipótesis estaba desacreditada. Además, este mecanismo no refutaba el argumento de la muerte térmica, aunque Wallace consideró una versión más elaborada que sí pretendía evitar ese futuro de aburrimiento termodinámico. Pero el maestro del horror cósmico no se contenta con las colisiones estelares para justificar un futuro para la vida en el universo introduciendo en el relato la existencia de un sol oscuro y una serie de detalles adicionales que crean una sensación de vértigo metafísico mucho mayor en el lector. Al hacerlo la novela se aleja de la ciencia y la historia se completa con elementos claramente fantásticos.

De modo que si en la obra de Hogdson hay más profusión de datos científicos que en la de Wells es esta última la que está mucho más cerca del espíritu de la ciencia. Mientras que Wells es pesimista con respecto al futuro de la vida, Hodgson plantea la existencia de un plano diferente al físico para justificar un futuro para la vida. Pero mantiene el pesimismo en lo que respecta al futuro de la vida como entidad material. Podemos concluir entonces que estamos ante dos obras representativas del sentir de la época sobre la muerte térmica y que son claramente pesimistas. Dos relatos muy influyentes en el desarrollo posterior de la ciencia ficción. Porque en ellas encontramos el vértigo existencial de lo sublime de las escalas del tiempo y el espacio. Esta desazón cósmica se materializaría en la obra de Lovecraft a través de una genuina mitología de la cultura popular posmoderna.

No toda la comunidad científica y filosófica aceptaba acríticamente las conclusiones de Clausius y Kelvin, que tanto influyeron en la literatura fantástica. Autores tan dispares como Herbert Spencer y Friedrich Engels ponían en duda sobre bases filosóficas la aplicabilidad al universo como un todo del segundo principio de la termodinámica. Además en la Dialéctica de la naturaleza Engels sugiere la existencia de diferentes ciclos de evolución cósmica en parte de un universo infinito en el espacio y el tiempo. También algunos físicos pusieron en duda la inevitabilidad de la muerte térmica. El Pierre Duhem criticaba el argumento de Clausius sobre la base de que el valor máximo de la entropía no tiene que ser finito, de modo que podría adoptar cualquier valor entre menos infinito y más infinito. Por su parte el sueco Svante Arrhenius consideraba que las propiedades del medio cósmico permitirían evitar ese infausto escenario. E incluso Balfour Stewart y Peter Tait defendieron puntos de vista espiritualistas y vías de escape bastante excéntricas para evitar la muerte térmica.

Pero la más interesante es la propuesta del gran Ludwig Boltzmann no para resolver el problema del fin del universo sino el de su origen. El padre de la moderna mecánica estadística propuso en una de sus publicaciones que podría considerarse a nuestro universo como una gran fluctuación en el seno de un dominio infinito con las características de un gas en equilibrio térmico. Es decir, en un estado de muerte térmica en un universo infinito. Esta idea se sustenta en que la entropía es un concepto estadístico y son posibles las fluctuaciones en torno a un estado de máxima entropía generado regiones de baja entropía. La probabilidad de tales fluctuaciones sería físicamente ridícula, pero en un universo infinito esto sucedería infinitas veces. A día de hoy este argumento se tiene en cuenta en el análisis del problema de la flecha del tiempo y porque en la cosmología actual hay modelos que permitirían fluctuaciones de este tipo.

La muerte térmica no sería el final, pero las fluctuaciones tienen consecuencias inesperadas. Siempre es más probable que una criatura inteligente se genere por una fluctuación aleatoria que la formación de un universo en el cual tras miles de millones de años de selección natural surja seres inteligentes similares. El sueño de la fluctuación genera monstruos. Pero estos son más acordes con las fantasías propias de la ciencia ficción contemporánea y habrían de ser analizados en otro momento en este blog.

Hidrodinámica de la cerveza

mayo 19, 2017

El estudio de la física de la cerveza es fascinante a la vez que complejo. Cuestiones como el proceso de formación de burbujas o la creación de espuma involucran la física de fluidos con múltiples fases, por ejemplo. Pero también hay espacio para el estudio puramente hidrodinámico de la cerveza. Una investigación que en su momento tuvo un eco importante en los medios de comunicación científica fue el estudio experimental realizado por ingenieros de la Universidad Carlos III de Madrid sobre la causa del fenómeno del golpe de la cerveza. Que al golpear una botella de cerveza se genera un chorro intenso de espuma en el momento en que ésta se abre. En su artículo Javier Rodríguez-Rodríguez, Almudena Casado y Daniel Fuster describen el proceso que implica tres fases de fenómenos de la mecánica de fluidos complejos. No sólo el proceso de formación de las burbujas es importante, también hay que tener en cuenta las ondas que se generan en el seno de la cerveza o los fenómenos de estratificación.

Otro ejemplo muy interesante de estudio hidrodinámico de procesos de la física de la cerveza es el estudio del movimiento aparente anómalo de las burbujas de las cervezas stout con nitrógeno, como es el caso de la marca comercial Guinnes, aunque no es la única cerveza de estas características. En el seno de una pinta de esta cerveza se producen fenómenos físicos muy interesantes, pero también bastante complejos para su modelización. La formación de burbujas en refrescos o cervezas carbonatados se debe a una diferencia entre la presión del exterior y la del recipiente en la que están confinadas, de modo que al abrirse este el gas confinado a presión (o generado en un proceso de fermentación) éste tiende a salir como resultado de que la presión atmosférica es menor que la del recipiente, lo que da lugar a la formación de las burbujas. Como las burbujas son menos densas que el líquido en que están contenidas, tal como predice el principio de Arquímedes. Pero la formación y transporte de burbujas en las pintas de Guinness parece contradecir este esquema.

Desde hace ya tiempo se ha afirmado que parte de las burbujas se desplazan hacia el fondo del vaso de pinta a través de sus paredes en vez de ascender. Algunos autores sugirieron que esto podría explicar como el resultado de una ilusión óptica del bebedor, sobre todo en los casos en que la observación del proceso de llenado del vaso se produjese tras haberse bebido unas cuantas pintas anteriormente. Pero las modernas técnicas de visualización de fluidos han demostrado que el efecto del movimiento contrario al esperado a priori es cierto. ¿Cómo se explica entonces que las burbujas desciendan en vez de ascender? La respuesta está en que además de tener en cuenta el efecto de las fuerzas responsables de la flotabilidad hay que tener en cuenta también las corrientes que se producen en el seno del vaso. El proceso es el resultado del hecho de que en el seno de la cerveza se generan burbujas de diferente tamaño, de modo que las burbujas más grandes ascienden en el centro del vaso, como es de esperar. Pero este movimiento de ascensión de las burbujas más grandes conlleva un aumento de las fuerzas de arrastre sobre las burbujas pequeñas, de modo que esta es mayor que la de flotabilidad y las burbujas más pequeñas son arrastradas hacia abajo por corrientes descendentes en las paredes del vaso. El patrón de las ondas observadas con métodos de visualización de flujos se deben a un fenómeno de inestabilidad hidrodinámica.

Pero no sólo es interesante el proceso de transporte de las burbujas, también el de su formación. En la Guinness se añade gas nitrógeno, lo que tiene importantes consecuencias en lo que respecta a la formación de las burbujas. Las características de las burbujas de nitrógeno son las responsables de la textura característica de la espuma de esta cerveza. También aportan un sabor más suave que otros tipos de cerveza, ya que el nitrógeno no da lugar a una mezcla ácida en su disolución, frente a lo que sucede en otras bebidas como el cava, champán y otros tipos de cerveza (el proceso de formación de las burbujas es más explosivo en el champán que en las cervezas). Además, al ser el nitrógeno menos soluble que el dióxido de carbono se generan burbujas más pequeñas, lo que da lugar precisamente al fenómeno de las burbujas que se hunden en vez de ascender. La desventaja que tiene el nitrógeno es que la espuma se forma con más dificultad, de ahí que las latas y botellas de la variedad Draught de Guinness lleven un dispositivo especial que facilita su aparición, haciendo que la abertura de salida resulte lo más estrecha posible para que la diferencia de presiones entre el interior y el exterior sea la máxima posible.

Otras investigaciones, como la de Benilov et al también han analizado el origen de la circulación que transporta a las burbujas en el vaso, y el efecto de la forma de éste en el fenómeno del descenso de las burbujas. A partir del desarrollo de los modelos numéricos creados por estos autores se demuestra que la forma del vaso es fundamental para que se produzca el peculiar movimiento de las burbujas. Lo que es compatible con lo observado en el vídeo de Alexander y Zare.

Estos ejemplos demuestran las posibilidades que aporta el estudio de la física de la cerveza, ya que la información obtenida en este tipo de investigaciones es susceptible de ser aplicada en otros ámbitos más allá de la ciencia de la alimentación. Pero sobre todo son ejemplos de cómo fenómenos cotidianos y asociados con las actividades lúdicas pueden servir como elementos importantes en la divulgación y comunicación de la física. Con todo lo que eso implica, sobre todo para quienes disfrutamos bebiendo cerveza.

La Teoría de Kozuch de Greg Egan

mayo 17, 2017

Un estudio sobre la física presente en la obra de ciencia ficción de Greg Egan necesariamente habría de concluir en una obra de varios tomos, tan voluminosa y densa como el curso de física teórica de Landau y Lifshitz. Por la profusión de conceptos de matemáticas y física avanzados que emplea el autor australiano, pero sobre todo porque en algunos relatos y novelas desarrolla toda una física alternativa. Aunque en una primera aproximación pueden considerarse algunos invariantes en la confección de sus mundos posibles. Como, por ejemplo, su preferencia por las filosofías del espaciotiempo relacionales. Planteando una auténtica monadología computacional en Ciudad Permutación o una visión sobre la gravedad cuántica en un agujero negro que se inspira en las ideas sobre redes de espín de la gravedad cuántica y la teoría de twistores en el relato La inmersión de Planck. Otra constante es su querencia por las especulaciones del gran físico teórico John Wheeler, muy presentes en las obras de su primera etapa. Sobre otras de ellas hablaré en su momento, ahora me centraré en ciertas especulaciones de Wheeler que están tras la Teoría de Kozuch descrita en la apabullante novela Diáspora.

WheelerLos sueños de Wheeler y Egan conectan con los desarrollos de la física teórica en los últimos años. Se trata de las propuestas del tipo ER = EPR que pretenden establecer la conexión entre el entrelazamiento cuántico de parejas de quarks y las propiedades de agujeros de gusano, soluciones de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general sobre las que trataré en los párrafos siguientes. Cuando hace algunos años aparecieron los primeros artículos sobre esta materia lo primero que pensé es que algo así ya se sugería en una novela de Egan, la citada Diáspora en donde se menciona una teoría en la cual las partículas elementales se asocian con las bocas de agujeros de gusano. Pero en realidad Egan no tuvo una visión profética sobre el desarrollo futuro de la física teórica y en realidad utilizó una idea antigua en contexto de la construcción de un mundo posible de ciencia ficción. Una propuesta que apareció en la literatura científica en la década de los cincuenta del siglo pasado, por parte de uno de mis inspiradores de la ciencia ficción favoritos: John Archibald Wheeler.

Wheeler fue el primero en proponer la idea de que podría explicarse la masa de las partículas elementales considerándolas como las bocas de un agujero de gusano. Lo hizo en un artículo titulado Geons donde describía unas soluciones particulares de las ecuaciones del campo electromagnético. Lo que Wheeler pretendía era encontrar un encaje para el concepto de objeto en el marco de la relatividad general. Tras un desarrollo de las propiedades del tipo de las ecuaciones de campo propuestas, Wheeler introduce en el apartado séptimo de su artículo la cuestión de los agujeros de gusano. La presencia de un agujero de gusano en un espaciotiempo sobre el que existe un campo electromagnético implica una distorsión de las líneas de campo eléctrico en torno a la zona del agujero, de modo el efecto que éste tiene sobre aquellas es que correspondan con las que se tendrían en el caso de una carga eléctrica puntual. Cada una de las bocas se correspondería con una carga de signo contrario, de modo que la carga total en el espacio ocupado por un campo eléctrico sin fuentes y el agujero de gusano sería cero. Más adelante el propio Wheeler, junto con Charles Misner,desarrollaría más su idea en un trabajo posterior, incluyendo también la explicación del origen de la masa de las partículas en base a agujeros de gusano. Su objetivo era plantear una descripción puramente geométrica de los campos clásicos (electromagnético y gravitatorio) de modo que todo pudiese expresarse en términos de la curvatura del espaciotiempo. Como una geometrización de la física siguiendo el espíritu de las propuestas de Einstein o de Hermann Weyl.

La idea de tratar de explicar propiedades de las partículas en base a parámetros geométricos o soluciones no singulares de los campos tuvo bastantes seguidores durante algunos años. Feynman introdujo la idea de Wheeler de la carga asociada a los agujeros de gusano en sus clases sobre gravitación. Pero todo ese programa de geometrización de la física fue dejado de lado con los avances en la física de las partículas, y con la aparición de nuevos marcos teóricos. Además, la formulación original de Wheeler se puede aplicar únicamente en el caso clásico, no el cuántico. Pero lo que hace Egan en su novela es postular la existencia de una hipotética teoría cuántica inspirada en el mismo concepto. Y muy inteligentemente no aporta detalles concretos sobre la Teoría de Kozuch, limitándose a considerar el concepto básico como punto de partida para la construcción del mundo posible. Esto implica que el contexto especulativo de la novela es más inmune al avance científico que la que se suele encontrar habitualmente en las obras de ciencia ficción que exasperan al lector con la profusión de detalles técnicos nimios e innecesarios.

Física y metafísica de Watchmen

mayo 15, 2017

Watchmen-cover.svgNo es aventurado afirmar que Watchmen es uno de los mejores cómics de ciencia ficción de todos los tiempos, además de muchas otras cosas. Pero fundamentalmente me interesa este aspecto, ya que voy a tratar brevemente algunos aspectos de la física y la metafísica de esta historia de Alan Moore y Dave Gibbons. Empezando por la física, uno de los conceptos más interesantes introducidos en este cómic es de taquiones, un tipo hipotético muy especial de partículas elementales. Y son muy importantes en el desenlace final de la historia, por lo que implican en cuanto a la alteración de la percepción del tiempo de uno de los personajes principales de la historia. Entonces, ¿qué son los taquiones?

EinsteinLa respuesta surge del seno de la relatividad especial de Einstein, Poincaré y Lorentz, que establece una interpretación geométrica que han de satisfacer las teorías de la física, fundamentalmente las teorías de campos. La relatividad especial, tal como fue formulada por Einstein en un famoso artículo redactado en 1905, trata de las propiedades de las leyes físicas determinadas por un tipo especial de observadores, aquellos que se mueven en sistemas inerciales. Estos son aquellos que se encuentra en reposo (relativo) entre sí, o se mueven unos respecto a otros con una velocidad constante. Entonces la relatividad especial se basa en dos postulados simples: la existencia de una velocidad característica que es la misma para todos los observadores inerciales, que se corresponde con la velocidad de la luz en el vacío; la equivalencia de las leyes físicas para todos los observadores inerciales

Una consecuencia de estos postulados es que no se puede establecer de modo absoluto el concepto de simultaneidad de sucesos, por lo que ha de introducirse un marco geométrico en el que espacio y tiempo van de la mano en una única entidad, el espaciotiempo. Esto es clave para entender la física y la metafísica de Watchmen. Otra predicción es que la masa de una partícula depende su estado de movimiento, o para decirlo de forma más precisa para no dar lugar a confusiones, que la masa que miden diferentes observadores inerciales depende de su estado de movimiento. La dependencia es tal que para que un objeto con masa distinta de cero alcance la velocidad de la luz ha de acelerarse con una cantidad infinita de energía. De ahí surge la imposibilidad de superar la velocidad, en principio, que constituye uno de los grandes temas de la especulación de la ciencia ficción en torno al viaje interestelar. A veces porque se acepta este hecho y se plantean escenarios compatibles con él, otras porque el propio nóvum de los relatos se desarrolla en torno a los mecanismos del viaje interestelar. Esta es la razón de que se afirma a veces que la física predice que nada puede viajar más rápido que la luz. Existen partículas que viajan a la velocidad de la luz ya que su masa medida en el sistema de referencia en que están reposo de valor es cero. Se trata de los fotones que viajan exactamente a la velocidad de la luz. Como no tienen que adquirir tal velocidad eso no supone un problema. Pero sí lo es para cualquier partícula que trate de acelerarse desde una velocidad inferior a la de la luz hasta ella. Pero esta es solo la mitad de la historia.

La relatividad especial establece la imposibilidad física de que una partícula acelere hasta la velocidad de la luz, pero a priori no prohíbe que puedan existir partículas que viajen siempre a una velocidad mayor que la de la luz. La razón es que en la ecuación de dependencia de la masa frente a la velocidad es una raíz cuadrada, y además de la soluciones reales podemos considerar soluciones complejas. La justificación del concepto de taquiones únicamente necesita de conceptos de física y matemáticas al nivel de enseñanza de bachillerato. Aunque el estudio de sus propiedades es más complejo. El físico Gerald Feinberg desarrolló en un artículo escrito en 1967 las propiedades de partículas asociadas a dicho tipo de soluciones de las ecuaciones relativistas. A partir del análisis de Feinberg se deducen algunas propiedades extrañas de este tipo de partículas, que son las que las hacen problemáticas y posiblemente inconsistentes desde el punto de vista físico. En primer lugar, la teoría de la electrodinámica predice que por el hecho de viajar a velocidades mayores de la luz estas partículas deberían de emitir algún tipo de radiación. Este proceso de emisión implicaría un frenado, lo que a su vez haría que emitiesen más radiación aún (este es el fundamento de las armas que aparecen en la novela La Guerra Interminable de Joe Haldeman). Hay que tener en cuenta que para los taquiones lo que requeriría una cantidad infinita de energía sería el frenado hasta alcanzar la velocidad de la luz. De ser así los taquiones deberían de emitir grandes cantidades de radiación que serían detectables. A día de hoy no se han detectado trazas de taquiones, aunque se plantean explícitamente en los catálogos de físicas de partículas los límites de resolución de las medidas que descartan su existencia.

En segundo lugar, el hecho de que los taquiones se asocien con soluciones con energía con un valor imaginario implicaría que el vacío de las teorías cuánticas de campo para las interacciones fundamentales fuese inestable frente a la presencia de taquiones. Como parece que no estamos achicharrados por un baño de radiación parece ser que a pesar de todo no existen los taquiones, que sepamos. Además, es esta una cuestión interesante ya que en su momento algunos modelos de cuerdas predecían la existencia de taquiones, y estos puede eliminarse considerando la supersimetría, pero las observaciones indican que la naturaleza no tenga ninguna predilección por tal tipo de simetría. Los problemas de la presencia de los taquiones podrían resolverse postulando que estos se encuentran en algún tipo de fase condensada, o que se manifiesta en realidad como algún tipo de partícula convencional, como formas exóticas de neutrinos.

Los taquiones son importantes para la ciencia ficción porque tienen una propiedad muy interesante. Al viajar más velozmente que la luz podrían transmitir información del futuro al pasado, violando la causalidad. Esto es una consecuencia de la la relatividad de la simultaneidad, que comentaba anteriormente. Se han planteado diferentes experimentos mentales que muestran las paradojas que surgen con los taquiones, por ejemplo a partir de una ideada por el físico Richard Tolman, analizada por Gregory Benford, a quien también le debemos una de las pocas novelas de ciencia ficción donde los taquiones son una parte esencial en la trama: Cronopaisaje. Para establecer la causalidad y la coherencia de las líneas causales hay que introducir condiciones de consistencia para las historias admisibles. Por ejemplo, un bucle autoconsistente causalmente es el que se muestra en la película Interstellar dirigida por Christopher Nolan. Pero este tipo de estructuras en el espaciotiempo, y la perspectiva geométrica para analizarlos, plantea cuestiones muy importantes con respecto a la naturaleza de nuestra experiencia del tiempo. Y aquí es donde llegamos a la metafísica de Watchmen.

Porque el de la naturaleza del tiempo es un problema fundamental de la filosofía de la física, el establecimiento de una filosofía del tiempo. Donde más claramente se hace explícito cuál es el problema, es cuando se atiende a la explicación de Manhattan en el episodio de Marte del cómic, pues en él presenta una filosofía del tiempo muy determinada. El nudista azulado parece percibir el tiempo de un modo muy distinto al del resto de los personajes y ele lector, ya que él nos sugiere que de alguna forma percibe los instantes de tiempo de forma simultánea, no siguiendo la secuencia temporal que el resto de nosotros. Para él el fluir del tiempo constituye un bloque, una foto fija en la que pasado, presente y futuro coexisten simultáneamente. A esta concepción del tiempo se la denomina eternalismo

La relatividad especial es un marco geométrico básico que ha de cumplir cualquier teoría física, introduciendo una estructura en la que el espacio y el tiempo forman parte de una única entidad geométrica, el espaciotiempo. En la relatividad general como teoría de la gravitación se demuestra además que tal entidad geométrica tiene una dependencia dinámica con respecto a la distribución de materia. Como resultado de la introducción de sus propiedades geométricas, que son absolutas (es decir, no dependen del estado de movimiento) surgen algunas consecuencias curiosas en lo que al comportamiento de algunas magnitudes físicas fundamentales se refiere. Esta estructura implica que la medición de las longitudes o los tiempos dependen del estado de movimiento, no obteniendo el mismo resultado de una medición por parte de un observador en reposo que por parte de uno en movimiento a velocidad constante. No obstante, cuando se miden distancias espaciotemporales todos los observadores miden lo mismo, y por lo tanto la teoría no es, como equivocadamente se dice, una teoría en que todo es relativo, sino en la cual las leyes físicas son absolutas en un marco geométrico, y la relatividad de las mediciones surge como resultado de emplear un marco geométrico inadecuado. Y relativa es también la simultaneidad de los acontecimientos, lo que pondría en duda la validez de nuestra percepción del tiempo como un fluir del pasado al futuro, ya que podría haber observadores inerciales para los cuales el orden podría ser diferente, aún cuando la línea causal en el espaciotiempo esté perfectamente bien definida sin ambigüedades. Lo que para un un observados son dos sucesos simultáneos, para otro puede resultar en que acontecen en diferentes instantes de tiempo, incluso el orden secuencial que pueden percibir dos observadores puede variar, aunque la secuencia de acontecimientos es absoluta en el espaciotiempo. Además, ese punto de vista aparentemente ingenuo del transcurrir del tiempo a de confrontarse con la existencia de los bucles temporales o las partículas que transmiten información desde el futuro al pasado.

1925_kurt_gödelEl gran físico George Gamow tituló su biografía haciendo referencia a este hecho, describiendo su devenir vital como «una línea de universo». También es famosa la carta en que Einstein habla a la viuda de su gran amigo Michelle Besso sobre su convicción en la ilusión del fluir del tiempo. Es decir, no hemos de ver el tiempo como una película sino como una foto fija, o empleando una analogía mejor en este caso, como una página de cómic en que se desarrolla nuestra vida, como si todo fuese una única página de cómic estática. Una idea del tiempo como algo estático que también compartía el matemático Kurt Gödel, cuyas contribuciones al estudio de la relatividad general, en las que se incluye un modelo de universo que permite el viaje en el tiempo (empleado por Stephen Baxter en la novela Las naves del tiempo), pretendían justificar la filosofía del tiempo del eternalismo.

Precisamente el episodio de Marte del cómic de Moore y Gibbons muestra a la perfección esta concepción del paso del tiempo con la propia estructura de la narración. En este caso el formato del cómic es una pieza fundamental en la interpretación de la filosofía del tiempo desde un punto de vista ontológico. El eternalismo no se considera únicamente en Watchmen, y esta filosofía también la encontramos en la obra de un autor tan interesante como Kurt Vonnegut. En Las sirenas de Titán uno de los protagonistas percibe el tiempo de forma diferente al resto de los personajes, y lo hace al mismo modo que el doctor Manhattan. Pero en la novela de Vonnegut se plantea la cuestión del determinismo y el libre albedrío. No es casualidad que también se lo pregunte en Watchmen Laurie a Manhattan, con una respuesta que claramente se decanta por el determinismo absoluto (algo que también se deduce de algunos pasajes de From Hell, en dónde Moore también explora aspectos del eternalismo desde otros puntos de vista narrativos).

Creo que la respuesta que plantean tanto Vonnegut como Moore es demasiado simple. Mucho más interesante es la respuesta de Ted Chiang en su relato La historia de tu vida (adaptado al cine en La llegada, aunque en la película el director Denis Villeneuve optó por obviar las referencias a la física) en dónde también se recurre a la misma filosofía del tiempo. Además de presentar una interesante reflexión sobre cómo el lenguaje altera nuestra propia percepción del tiempo, Chiang analiza el problema del determinismo frente al libre albedrío desde una perspectiva más general que Moore y Vonnegut. Además, la mayor parte de los cuentos de Chiang tratan sobre el determinismo desde diferentes puntos de vista, con lo que los diferentes aspectos del problema filosófica se complementan con diferentes perspectivas por parte de este autor. Lo fundamental en el relato de Chiang es que plantea una interpretación variacional de la percepción del tiempo. En física podemos plantear las ecuaciones en términos de ecuaciones locales o de ecuaciones integrales globales, y esto último da lugar a las formulaciones de principios variacionales, que establecen que una magnitud física ha de alcanzar un máximo o mínimo.

En mecánica los principios variacionales se emplean para estudiar las trayectorias de las partículas en la naturaleza. De todas las posibles trayectorias en un espacio abstracto de coordenadas la que se adopta una partícula es aquella que hace que el producto de la energía por el tiempo (la acción) sea un valor extremo (máximo o mínimo, pero también hay otro caso que no comentaré). No hay una teleología en el comportamiento de la partícula, no hay una agente rector, es la descripción matemática de un proceso físico global. En el relato de Chiang la protagonista no está siendo dirigida por una maquinaria de reloj como a la que hace referencia Manhattan, ella toma sus propias decisiones y no existe una contradicción con la idea de libre albedrío en la medida en que su elección es global. Digamos que ella elige su trayectoria en el contexto global de la historia de su vida, y esta elección implica una serie de elecciones personales y hechos que le acontecen, de ahí el determinismo. Quizá podría encontrarse una analogía con el concepto de armonía preestablecida de Leibniz, si tratamos de formularlo con precisión matemática, y no en vano el filósofo alemán fue un precursor de la concepción variacional de la física. La relatividad especial puede formularse a partir de un principio variacional lo que implica que podemos interpretar la filosofía del tiempo en el sentido que experimentan Manhattan, el millonario excéntrico de la novela de Vonnegut o la lingüista de Chiang de este modo.

En sus notas sobre La historia de tu vida Chiang ha explicado que su idea original era construir el relato desde la perspectiva variacional de la física cuántica pero que al final optó por describir la perspectiva clásica para no marear mucho al lector. Y es que si tenemos en cuenta la interpretación en términos de una formulación variacional planteada por Feynman lo que era un mero juego matemático tiene un significado físico preciso. Realmente se da el caso de que se produce un promediado por toda las trayectorias físicamente posibles. En el caso clásico las trayectorias son ficticias, en el cuántico son reales, de alguna manera existe un tanteo de trayectorias. Pensad lo que eso significa en el contexto de las historias que he comentado.

Pero para Alan Moore el eternalismo no es únicamente una filosofía del tiempo que se deriva de la física, sino que tiene realmente una justificación verdaderamente metafísica, y en un sentido mucho más fuerte del término del que he empleado aquí. Porque el guionista de Northampton adopta una filosofía neoplatónica acorde con su concepción mágica de la naturaleza, y en ella se considera el tiempo como eternidad que equivale a la propia del eternalismo. Hasta tal punto de que su novela Jerusalem pretende ser un desarrollo de una narrativa eternalista sobre la épica de la ciudad natal del autor. Esto plantea la cuestión de hasta qué punto el origen de la filosofía del tiempo en Watchmen tiene un origen esotérico en vez de científico. Pero es materia para otra reflexión más general en torno al papel de la filosofía del tiempo en la ciencia ficción.

¿Qué es la aeroacústica?

mayo 5, 2017

La aeroacústica es la disciplina científica que estudia el sonido generado aerodinámicamente y como tal se puede considerar como una parte de la mecánica de fluidos. En ella se desarrolla una teoría general de la generación aerodinámica de ondas sonoras a partir de diferentes formulaciones. Algunas consideran una resolución directa de las ecuaciones de gobierno de la mecánica de fluidos, mientras que otras optan por un enfoque más teórico que deduce un sistema general de ecuaciones y aplica una serie de analogías acústicas para combinar un enfoque teórico a la vez que computacional.

La disciplina fue inaugurada oficialmente con los trabajos del gran matemático aplicado James Lighthill, allá por los años cincuenta del pasado siglo. Un personaje muy interesante, sucesor de Paul Dirac y antecesor de Stephen Hawking en la Cátedra Lucasiana de Matemáticas de la Universidad de Cambridge, y que murió en una travesía a nado de la costa de la isla de Sark cuando ya era septuagenario. Además de sus contribuciones a la aeroacústica Lighthill realizó otras aportaciones en el ámbito de la mecánica de fluidos y el estudio matemático de la propagación de ondas. Su teoría del ruido generado aerodinámicamente se basa en un desarrollo matemático y la introducción de una hipótesis física. El primero consiste en una formulación de las ecuaciones de gobierno de la mecánica de fluidos como una ecuación de onda en donde los procesos no lineales del flujo se identifican en el miembro derecho con las fuentes acústicas, aunque para ello hay que establecer desde un punto de vista físico cuál es la variable acústica. Lamentablemente, tal ecuación no puede resolverse analíticamente pues para ello habríamos de conocer soluciones analíticas generales de las ecuación de Navier-Stokes para resolverla.

La segunda es la que se conoce como analogía acústica y establece una analogía entre el problema general de generación de ondas sonoras y uno simplificado en el que resuelven los procesos de generación de generación de las ondas sonoras con respecto a los de propagación de éstas. Para ello se supone que todos los procesos asociados con la generación del sonido están confinados en un dominio del espacio acotado (en esa región no se impone ninguna restricción a las fluctuaciones de presión y densidad). En el exterior de dicho dominio de generación se recupera la propagación de ondas sonoras en las condiciones que establece la acústica física en el régimen lineal. Esto permite realizar la hipótesis dese supone que las fuentes en la zona de generación pueden modelarse con fuentes clásicas. De modo que en esencia la analogía acústica consiste en una modelización, en un modelo teórico que simplifica el esquema general y complejo de la generación de ruido. Es la analogía acústica la que facilita la resolución de la ecuación de onda simplificando el tratamiento de los términos fuentes en dicha ecuación.

Este proceder puede realizarse considerando ecuaciones de onda alternativas, bien suponiendo otras variables acústicas, o seleccionando de otro qué términos retener o no como asociados con las fuentes de las ondas sonoras. También diferentes analogías, estableciendo hipótesis diferentes sobre el flujo base en que se propagan las ondas y las propiedades del flujo en el dominio de generación de las ondas sonoras. Esto implica que no todas las formulaciones tienen por qué, a priori, describir la misma física, de modo que hay que ser muy cuidadoso en su elección. El grado de modelización en cada caso no es el mismo (aunque algunas de las formulaciones más utilizadas en aeroacústica son equivalentes a la de Lighthill). Es este un asunto muy importante desde una perspectiva filosófica, ya que en este campo se trabaja con modelos que no establecen necesariamente una correspondencia directa con lo que realmente sucede en la naturaleza.

La aeroacústica tiene un rango amplio de aplicaciones en ámbitos muy diversos que van del estudio del ruido aerodinámico generado por aerogeneradores o ventiladores de uso industrial al estudio de la fonación humana o el ruido generado por volcanes. En mayor medida el desarrollo de la disciplina se produce en torno al ámbito de la ingeniería de fluidos, pero existen interesantes cuestiones no resueltas desde el punto de vista de la física básica, en lo que podríamos denominar mecánica de fluidos teórica. E incluso en la conexión de la aeroacústica con ámbitos de la física teórica lo cual podría suponer en el futuro nuevos descubrimientos sobre los secretos ocultos de los flujos de la naturaleza.

Ondas gravitatorias

febrero 16, 2016

El reciente anuncio de la detección de ondas gravitatorias por parte del proyecto LIGO se ha analizado con profusión en los últimos días, y se ha hecho desde diferentes puntos de vista. Pero lo cierto es que el hecho de que haya coincidido exactamente con el siglo de la publicación de los principales trabajos de Einstein sobre relatividad general, y que se cumpla casi un siglo de la predicción de la existencia de ondas gravitatorias, es un dato relevante. Lo suficiente como para afirmar la importancia del trabajo intelectual puro en el escrutinio de la naturaleza. Y en buena medida es cierto, pero con matices importantes.

Si bien es cierto que la mayoría de las notas de prensa y artículos han destacado sobre todo la importancia que el descubrimiento tiene para la astrofísica, y las vías que puede abrir en la búsqueda de una teoría cuántica de la gravitación, siempre hay quienes sucumben a la tentación de la exaltación del pensamiento puro sin mucha atención a las evidencias empíricas. Precisamente, este descubrimiento, como bien ha sabido mostrar la comunidad científica y la prensa especializada, muestra precisamente lo contrario.

Pero la mejor forma de combatir ciertos malentendidos es no dejarse llevar por las leyendas sobre cómo fue el desarrollo por parte de Einstein de las ideas que dieron lugar al desarrollo de la relatividad general. Por eso es buen momento para consultar Lessons from Einstein’s 1915 discovery of general relativity, un interesante artículo de Lee Smolin que pretende, según afirma él, aclarar algunos malentendidos asociados con una visión sesgada del trabajo de Einstein. Como suele ser habitual en él, Smolin va más allá del tema que origina su trabajo para elaborar reflexiones sobre el devenir de la física teórica actual, que como suele ser habitual son muy interesantes, y creo muy necesarias. Pero con el sesgo habitual que tiene Smolin al tratar estas cuestiones.

Más allá de la reseña histórica, y la parte de crítica hacia ciertas guías metafísicas que dirigen la investigación actual en la física de altas energías, la más importante reflexión sí que concierne a una de las claves del trabajo de Einstein. La búsqueda de principios explicativos fundamentales, pues fue el principio de equivalencia el armazón conceptual en que se construyó la relatividad general. ¿Qué principio podría ser una guía para la gravedad cuántica según Smolin? Como una opción sugiere el principio holográfico, pero podría ser otro muy diferente.

Comparto su propuesta de lo que se necesita en física es dejarse llevar menos por ciertas preferencias estéticas en la búsqueda de nuevas teorías, y más en la búsqueda de ciertos principios, que quizá tengan que ver con simetrías y otras propiedades fundamentales, pero quizá no. No sólo en la estudio de los problemas asociados con la gravedad, también en otros campos muy diferentes. Incluso tal vez exista algún principio de organización que permita obtener una visión distinta y más profunda de la turbulencia.

El siglo de la relatividad general en la ciencia ficción

noviembre 25, 2015

En el año 2005 se cumplía el centenario del «Annus mirabilis» de Albert Einstein, quien con sus cinco artículos fundamentales revolucionó completamente la física. Todas las aportaciones que realizó entonces fueron fundamentales para el desarrollo de esta ciencia: su formulación de la relatividad especial; su descripción del efecto fotoeléctrico, paso fundamental en el desarrollo de la física cuántica; su modelo del modelo browniano, que desarrolló una rama de la mecánica estadística y permitió determinar las dimensiones moleculares, aportando la prueba definitiva de la hipótesis atómica; la demostración de la famosa relación entre masa y energía, posiblemente una de las ecuaciones de la física más conocidas por el público en general, auténtico icono popular de ecuación científica.

Escribí entonces un artículo que apareció publicado en el nº 15 de la extinta revista Galaxia en el cual exponía como todos esos avances habían tenido una influencia capital en el desarrollo de las temáticas propias de la literatura de ciencia ficción. Fundamentalmente aquellas asociadas con la relatividad, centrándome en una primer parte del texto en la especial, y en una segunda en la general, específicamente en lo que concierne a esta última como un paso más en la justificación del viaje en el tiempo. Pues ahora que este 25 de Noviembre se cumple un siglo de la presentación de las ecuaciones de campo de relatividad general por parte de Einstein en la Academia Prusiana de Ciencias, es un buen momento para revisar cuáles han sido las aportaciones que esta importante teoría en el ámbito de la física ha tenido para el desarrollo de la ciencia ficción.

Lo cierto es que no puede entenderse la moderna ciencia ficción sin la relatividad general, pues gracia a ella tenemos elementos básicos que constituyen el nóvum de las historias, como es el caso del viaje en el tiempo, por ejemplo. Pero también entornos y ambientaciones, pues mucho de lo que sabemos sobre nuestro entorno astrofísico y el universo mismo deriva de las predicciones de la teoría sobre la gravitación desarrollada por Einstein.

Si la relatividad especial de Einstein, Lorentz y Poincaré presenta la naturaleza geométrica del continuo espacio-tiempo, pueden imaginarse modos mediante los cuales pueda producirse un viaje en el tiempo. Por ejemplo, un viaje al futuro como resultado de la dilatación temporal, o un viaje al pasado mediante el empleo de taquiones, partículas hipotéticas que podrían viajar siempre a velocidades mayores que la de la luz en el vacío. Pero estas opciones no indican un cómo, un método para poder viajar al pasado, que no impliquen energías infinitas, o diferentes complicaciones de las que no se puede escapar, que es lo que ocurre con los taquiones. Y aquí es donde entra en juego la relatividad general.

Es así porque en esta teoría el continuo espacio-tiempo es dinámico, puede curvarse y dicha curvatura evolucionar en tiempo y espacio, y tal dinámica está determinada parcialmente por la distribución de materia-energía (parcialmente porque puede existir una curvatura intrínseca del espacio-tiempo aún en ausencia total de materia-energía). Esto implica que pueden existir regiones del espacio-tiempo con tanta curvatura, tan distorsionadas, que se puede establecer una rotación el espacio-tiempo tal que la línea del mundo (la historia de una partícula, una persona o una nave en la relatividad general) pueda curvarse sobre sí misma, permitiendo el viaje al pasado.

Se tiene entonces que en el contexto de la relatividad general sí que existen soluciones físicamente consistentes en la que la distorsión permite el viaje en el tiempo: agujeros que conectan regiones separadas (agujeros de gusano); fisuras o distorsiones del espacio-tiempo (warp drive); cuñas (espacio-tiempos de cuerdas cósmicas); espacio-tiempos rotatorios (universos de Gödel). Todas estas soluciones se han empleado en la ciencia ficción para justificar el viaje en el tiempo, y en algunos casos, como sucede con los agujeros de gusano y los motores de distorsión, para superar el propio límite de una velocidad máxima impuesta por la propia teoría de la relatividad especial.

No puede entenderse la ciencia ficción sin esta concepción científica del viaje en el tiempo. La historia del viaje mágico al futuro era un tópico del antiguo folklore de las hadas. Pero tenía una justificación mágica, sobrenatural o alegórica. Es Wells el primero que considera una justificación científica del viaje en el tiempo en su La máquina del tiempo, y lo hace postulando una rotación geométrica en un espacio de cuatro dimensiones, anticipando las ideas de Einstein de algunos años antes. Pero la máquina del tiempo sólo puede ser efectiva cuando se describen los modos por los que viajar por el espacio-tiempo curvado que permiten el viaje en el tiempo.

Pero otro ámbito en donde la relatividad general ha tenido una influencia devastadora en el desarrollo de ideas y conceptos ha sido en el de la escatología, la reflexión sobre el estudio del futuro último del universo y la vida que contiene. Tan pronto como algunos meses después de obtener sus ecuaciones Einstein ya publicó un artículo sobre la aplicación al problema cosmológico de sus ecuaciones de campo, y también en 1917 De Sitter obtuvo su solución a dichas ecuaciones en ausencia de materia-energía que a día de hoy es un pilar fundamental en la moderna cosmología inflacionaria. En las dos décadas siguientes el matemático Fridman, el físico Lemaitre y astrónomo Hubble aportaría las bases teóricas y observaciones para el desarrollo de la idea de un universo dinámico en evolución, regida ésta por las leyes generales de la gravitación planteadas por Einstein. Porque podía especularse sobre el origen, pero también sobre el futuro.

Es cierto que antes de la relatividad general existió una muy limitada especulación cosmogónica por parte de científicos destacados. E incluso, que muchos de los conceptos que aparecen en la cosmología relativista podrían haberse presentado en el ámbito de la física newtoniana. Pero como digo, fueron aportaciones muy escasas, y poco influyentes en la comunidad científica. Pero fue la relatividad general la que cambió eso. Y también cambió la forma de entender un subgénero de la ciencia ficción.

Si la especulación cósmica de autores como Hodgson o Wells se limitaba a reflexionar sobre inevitabilidad o no de la muerte térmica y el futuro del Sistema Solar, y quizá la Vía Láctea, los autores influidos por la cosmología relativista han dispuesto de toda una batería de escenarios para el futuro del universo. Un colapso final o una expansión eterna aportan visiones del futuro muy diferentes. Parece que en el primero no hay muchas posibilidades para la vida, mientras que en el segundo ésta podría adaptarse por métodos ya imaginados por Bernal antes del gran desarrollo de la cosmología.

Tan pronto como en 1937, cuando la cosmología moderna aún estaba en pañales, Olaf Stapledon se imaginó el origen, desarrollo y futuro de nuestro universo, y muchos más, en su ciclópea Hacedor de estrellas, posiblemente la obra cumbre de la ciencia ficción escatológica. Desde entonces el futuro del universo predicho por la relatividad general ha jugado un papel destacado en la ciencia ficción más especulativa. Un colapso con renacimientos en Tau Cero de Paul Anderson, o un fin lento en la decadencia de la expansión de El mundo al final del tiempo de Frederich Pohl, son buenos ejemplos de ciencia ficción escatológica. Incluso en el mundo de cómics estos escenarios cosmogónicos han sido influyentes, siendo fundamentales para comprender uno de los orígenes de una de las entidades cósmicas más fascinantes del Universo Marvel: Galactus.

Finalmente, la relatividad general también ha dotado a la ciencia ficción de un montón de escenarios exóticos y extremos. Pues son predicciones directas de la teoría la existencia de objetos tales como las estrellas de neutrones, pronto incorporadas al acervo del género por autores como Larry Niven, o fuentes de interesantes especulaciones en la ciencia ficción española por parte de Daniel Mares. Y por supuesto, los agujeros negros, que si bien no han estado tan presentes en el género como el público en general suele pensar, sí que han ganado mucho espacio en las dos últimas décadas.

Lo cierto es que muy difícil imaginarse la moderna literatura de ciencia ficción sin las aportaciones conceptuales de la relatividad general de Einstein. En la medida en que se cumple un siglo de relatividad general, también lo hace el desarrollo de toda una concepción de la ciencia ficción. Y quién sabe si no estaremos celebrando también el siglo del origen del género en sí mismo.

Compendio sobre relatividad general y gravitación

noviembre 9, 2015

Con motivo de la celebración de la Semana de la Ciencia, y del hecho de que dentro de unos días se celebrará el centenario de la publicación de las ecuaciones de campo de la gravitación por parte de Albert Einstein, he decidido recopilar algunas entradas en este blog relacionadas con dicha temática. La diversidad de temas y enfoques muestra hasta qué punto esta importante teoría no sólo ha sido crucial en el ámbito de la físico, sino que también ha resultado ser uno de los grandes hitos filosóficos del siglo XX. Y las correcciones, enmiendas o refutaciones futuras de ella, tal vez lo sean de este siglo XXI en el que estamos inmersos.

El tiempo en El Ministerio del Tiempo. Asociada con la relatividad general se presenta una filosofía del tiempo. No está claro si es la que se adopta en la serie analizada en la entrada, pero ciertamente es una que ha estado y está presente en la literatura y cine de ciencia ficción.

Dos grandes hitos del desarrollo de la física clásica. Además del logro de Einstein, este año se conmemoran muchos otros logros científicos asociados con el estudio teórico de la luz, y las tecnologías asociadas a ella. La propia especulación en torno a la propagación de la luz también jugó un papel destacado en el desarrollo de la teoría de Einstein y su aplicación al ámbito de la cosmología.

La naturaleza del espacio y del tiempo (Stephen Hawking y Roger Penrose). Este libro recoge textos que explican las aportaciones fundamentales de Hawking y Penrose en el estudio de los campos gravitatorios y la física de los agujeros negros. Un libro que lamentablemente no es para un público general, ya que buena parte de los artículos son técnicos.

Inspiradores de la ciencia ficción: John Archibald Wheeler. Este gran físico teórico fue una continua fuente de inspiración para la ciencia ficción, además de serlo para varias generaciones de físicos teóricos en los Estados Unidos. Buena parte de sus contribuciones científicas, y en el ámbito de la enseñanza de la física, se asocian con la relatividad general.

The Physical Basis of The Direction of Time (H. Dieter Zeh). El estudio de la termodinámica de los campos gravitatorios constituye una de las piezas fundamentales para la comprensión del problema de la dirección del tiempo. El libro de Zeh es una de las mejores referencias técnicas sobre esta cuestión.

La estructura del espacio-tiempo (Erwin Schrödinger). Una breve pero rigurosa introducción técnica al enfoque geométrico clásico de la relatividad general. Eso sí, la exposición de Schrödinger se basa fundamentalmente en el estudio de la conexión afín en vez del tensor métrico.

El significado de la relatividad (Albert Einstein). El Libro sobre relatividad general. Escrito por Einstein, posiblemente sea la más clara y precisa exposición de la teoría clásica. Aunque es necesario tener una buena base de física y cálculo tensorial para sacarle provecho, el estilo de Einstein hace que sea una lectura fácil y clara. Ejemplo muy claro de lo que un libro técnico, pero pensado para audiencias amplias, debería de ser.

Fundamentación lógica de la física (Rudolf Carnap). En algunos capítulos Carnap realiza una exposición clara, divulgativa y amena de la interpretación filosófica de la relatividad general desde la perspectiva de la Concepción Heredada. Basándose fundamentalmente en las ideas de Hans Reichenbach.