¿Por qué flotan los barcos?

He aquí otra de esas cosas que vemos todos los días y que suelen tener una no muy difícil explicación, aunque pocas veces nos paramos a pensar en por qué ocurren.

Estamos acostumbrados a ver cómo los barcos se mantienen flotando sobre el agua, incluso algunos tan pesados que parecen desafiar la intuición de que se mantengan a flote.

En principio, se podría pensar que esto se debe a los materiales de los que están hechos los barcos (idea quizá más probable cuando todavía eran de madera la mayoría), pero en cuanto vemos que éstos están hechos de hierro y acero, elementos más densos que el agua y por tanto que no flotan sobre ésta, este argumento falla.

Sin embargo, a pesar de que el metal es más denso que el agua, se da una característica crucial para que el barco flote: dado que éste no contiene únicamente metal, sino que una gran parte del interior del casco es aire (ya que éste no es macizo por dentro, fundamentalmente debido a que a parte de que flote, se suele querer utilizarle para transportar cosas en su interior), la densidad total media del barco es inferior a la del agua.

Claro que únicamente con ser menos denso que el agua no es suficiente, ya que si pesase mucho, este peso no llegaría a ser compensado por este empuje que ejerce el agua sobre él debido a su menor densidad y nuestro barco se hundiría.

Pero para ver esto, hace falta entender por qué el agua ejerce dicho empuje sobre el barco y cuánto es este.

El empuje

Al sumergirse una parte del barco bajo el agua, éste está ocupando un volumen que de no estar él sería rellenado por el agua del mar. Ahora bien, al desalojar dicho volumen de agua, ésta ejerce una fuerza contra el casco del barco para sacarle del agua y poder volver a ocupar dicho volumen de agua. Esto causaría que el barco “rebotase” y fuese lanzado hacia el aire, pero esto no ocurre debido al peso que tiene el barco.

Así que el barco se sumergirá hasta la profundidad en la que el empuje del agua y su peso peso se igualen. Y esto ocurre cuando el volumen que ha desalojado, si lo llenásemos entero de agua, pesa exactamente lo mismo que el barco.

Y por lo tanto, bastaría conocer la masa del barco para calcular el volumen de éste que debe sumergirse para mantenerlo a flote, ya que su masa tiene que ser igual a la densidad del agua (o del líquido sobre el que se encuentre) por el volumen desalojado.

Si el barco tiene una densidad media superior a la del líquido, irremediablemente se hundirá en ese líquido.

Estabilidad

Por último, hay un detalle muy importante para que los barcos no se hundan, y es la estabilidad que tendrán cuando empiecen a oscilar debido a las olas o el viento.
Aquí es donde hay que observar un detalle: el empuje que crea el agua se puede considerar como si únicamente actuase sobre el centro de gravedad de la parte del barco sumergida, mientras que el peso del barco actuaría sobre el centro de gravedad de éste (realmente, cada trozo del barco experimenta un peso, pero al promediar todos los trozos del barco, es como si éste solo actuase globalmente sobre el centro de gravedad).

Debido a esto, podemos obtener dos resultados: que el punto sobre el que actúa el empuje (E a partir de ahora) esté por encima del centro de gravedad del barco (G) o por debajo.

En E, la fuerza va hacia arriba ya que el agua intenta “elevar” el barco, mientras que en G la fuerza va hacia abajo ya que la gravedad intenta hundirle más.
Y debido a esto, si E está por debajo de G, tendríamos una situación inestable ya que el punto más bajo trata de subir mientras el más alto trata de caer, por lo que a un ligero movimiento lateral que tuviera el barco (por ejemplo cuando le golpea una ola), éste se daría la vuelta poniéndose boca abajo inmediatamente. Es decir, el barco terminaría con el casco en la superficie y la cubierta bajo el agua. Esto sería semejante a si se tiene un péndulo levantado, con la masa encima. A poco desplazamiento que experimente, la masa caerá hasta ponerse lo más bajo posible, en la situación normal que solemos verlo.

Sin embargo, si G está por debajo de E, el punto que está más alto trata de subir más y el más bajo trata de bajar más, por lo que ambos movimientos se compensan y el barco guardará esa posición con un gran equilibrio. Únicamente comenzará a oscilar debido a la acción de las olas, pero, salvo que venga un huracán claro, no se dará media vuelta.

Más información en Ciencias Galilei.

Caer con estilo…

Prácticamente todo el mundo ha visto alguna vez cómo un gato ha caído desde una gran altura (como un 2º o 3er piso…) y después de tocar suelo sale andando como si nada hubiera ocurrido. A veces incluso volviendo donde su desesperado dueño para recibir de nuevo el mismo tratamiento de choque antigatuno.

Y tras ver esta escena, siempre hay alguien que se pregunta de qué estarán hechos los gatos para poder tener una caída tan grande y salir sin un rasguño, cuando si fuéramos nosotros (o un perro también) los que somos arrojados por la misma ventana sufriríamos, en el mejor de los casos, un par de huesos rotos.

Llegados a este punto, si en vez de contemplar este evento y comentar los superpoderes que tienen los gatos, nos quedamos observando repetidas veces sus caídas (por ejemplo tirando repetidamente al gato por la ventana), podremos observar cómo, independientemente de la forma en que se tire al gato, éste siempre cae “de pie”, nunca cae de costado o boca abajo, y concretamente, siempre lo hace con el cuerpo encogido y las patas estiradas.
Así que ya podemos inferir que los gatos “saben” cómo prepararse durante la caída para no hacerse daño cuando toque suelo.

Las acrobacias en el aire

El siguiente paso que podríamos dar para conocer los misterios de los gatos sería grabarles en vídeo la caída, para así poder ver a cámara lenta los movimientos que ejercen en el aire, ya que hasta lo que hemos visto hay una cosa que nos puede chocar:
cuando uno está en el aire (donde no se puede agarrar ni impulsarse con nada) existe una cantidad, el momento angular, que no varía en todo tu movimiento. Y este momento angular es proporcional a la velocidad de giro que lleves y a tu masa y cómo está distribuida (i.e. la postura que tienes en ese momento).
Por ejemplo, si mantenemos la misma posición, seguiremos girando a la misma velocidad todo el rato, pero si pegamos los brazos al cuerpo, comenzaremos a girar más rápidamente (y si nos estiramos, giraremos más lentamente). Esto es habitual verlo en patinaje artístico o saltos de trampolín, donde los deportistas utilizan precisamente este hecho para acelerar o frenar su giro.

Entonces, por lo dicho anteriormente, podríamos ver difícil cómo el gato, independientemente de cómo le lancemos, acaba siempre de pie, ya que en algunos lanzamientos parece que debe cambiar su momento angular inicial para girarse, lo cual es imposible.

Sin embargo, el secreto está en saberse retorcer y encoger “con estilo”, al igual que un contorsionista, para acabar girando para acabar en la posición deseada (con los pies abajo). Para ello, el gato comienza a girar las patas delanteras hacia abajo mientras que las traseras las “retuerce” hacia atrás para compensar el movimiento, y a continuación realiza otros movimientos con los que acaba con las patas traseras abajo también.

Tocando tierra

Una vez obtiene la posición buena, falta prepararse para el golpe. Para ello, el gato estira las cuatro patas a la vez que encoge el cuerpo. De esta forma, cuando toque tierra utiliza todo su cuerpo para amortiguar el golpe y no sufrir ningún daño.

Así que, por lo que podemos ver, el gato está lejos de tener “habilidades especiales” para evitar hacerse daño, y hasta nosotros podríamos evitar de la misma forma rompernos las piernas al caer de un 2º piso, solo nos falta conocer cómo debemos ponernos para amortiguar el golpe, con la diferencia de que esto para nosotros debería ser algo que tendríamos que aprender (y mejor no intentar aprenderlo por el método de prueba y error) mientras que el gato lo conoce instintivamente desde que nace.

Las alturas límite

Por último una peculiaridad muy interesante y que no suele ser conocida. En un principio podríamos suponer que cuanto más alto se deje caer al gato, más probabilidad de que sufra algún daño tiene. Sin embargo, esto choca con las estadísticas donde se puede comprobar que los gatos sufren más daños si caen de un 1º piso que de un 2º o 3º, y que si caen de un 4º o 5º muere un mayor porcentaje de gatos que si caen de un piso mayor al 6º.

¿Alguna explicación para esto?

Bien, hemos visto cómo el gato adopta su posición para compensar la caída. Pero si le dejamos caer desde un 1º piso por ejemplo, el gato toca tierra tan rápidamente que no ha tenido tiempo de posicionarse adecuadamente, por lo que no está todavía preparado para caer y puede sufrir daños.

Este era el caso fácil. Lo más inesperado es la razón por la que para alturas del orden del 5º piso se hace más daño que a más altura.

Y es que aquí hay que apelar al instinto del gato: ¿cómo sabe éste cuándo está cayendo para ponerse en posición “defensiva”? observando el comportamiento de los gatos, se ha podido comprobar que el gato se pone en esta postura siempre que nota que lleva un movimiento acelerado, es decir, en caída libre.

Pero ah!, un cuerpo no está acelerando todo el rato durante su caída, ya que debido al rozamiento que presenta frente al aire de la atmósfera, llega un momento que éste contrarresta la acción de la gravedad y por tanto la velocidad a la que cae el objeto (en este caso nuestro gato) pasa a ser constante, luego no hay aceleración. Esto, para un cuero como el de un gato estándar, ocurre aproximadamente a esas alturas.

Y al no sentir aceleración, el gato se relaja, por lo que deja de estar preparado para aterrizar, y el número de lesiones que sufre aumenta considerablemente.
Ahora, si tiene tiempo suficiente (es decir, cae de mayor altura), al relajarse adopta una postura con el cuerpo más estirado, lo que hace que el rozamiento que experimenta contra el aire sea mayor y por tanto la velocidad límite que alcanza es menor.
Y esta es la razón por la que para alturas de más de 6 pisos sufre algo menos de daño: el gato, simplemente, cae con menos velocidad que antes!.

Más información:

Explicación más en detalle del estudio. (en inglés)

Los gatos y la velocidad límite (CienciaNet).

Las ondas de televisión por el espacio

Tanto las ondas de la radio, como las de la televisión o el móvil, hasta la luz “visible”, que podemos ver con los ojos, o los rayos X, son exactamente el mismo fenómeno físico: todas ellas son lo que se denominan ondas electromagnéticas.

Sin embargo, a pesar que son “la misma cosa”, queda patente que cada una interacciona de una forma u otra con la materia, ya que por ejemplo las ondas de radio no las vemos, mientras que los rayos X consiguen atravesar nuestra piel… y ninguno de ambos fenómenos ocurren con la luz visible.

Esto radica en que aunque todas ellas son radiaciones que pertenecen al espectro electromagnético, cada una tiene una frecuencia (o longitud de onda) diferente, lo que hace que cada onda lleve una energía diferente (proporcional a su frecuencia).
Así, las ondas de radio, que tienen una frecuencia muy inferior (de unos 10KHz), tienen una energía mucho menor que las ondas de luz visible (con una frecuencia de unos 10¹⁵Hz), y estas son, a su vez, mucho menos energéticas que los rayos X, por ejemplo.
Esta es la principal razón por la que si inciden sobre nosotros ondas de radio ni nos enteramos, pero si incide luz visible sí que lo notamos, así como con los ultravioleta, que ya nos ponen la piel tostadita, o los rayos X, con los que no podríamos tener una exposición prolongada ya que estos nos causarían daños en nuestro cuerpo.

A pesar de estas diferencias, por tener todas estas ondas la misma naturaleza, tienen varias cosas en común, en especial que pueden viajar sin ningún medio, es decir, que pueden propagarse por el vacío (por eso podemos ver la luz de las estrellas o comunicarnos con las sondas que enviamos a Marte), y que todas ellas viajan a la velocidad de la luz: 300.000 km/s.

Y debido a esta segunda propiedad, obtenemos que éstas necesitan su tiempo para llegar de un punto a otro, lo cual es relevante cuando estamos hablando de distancias muy grandes, ya que tienen una velocidad muy elevada y para distancias cortas ni se nota: por ejemplo una onda que mandásemos a la Luna tardaría poco más de 1 segundo en llegar a ella, pero este tiempo aumenta a unos 7 minutos para llegar al Sol ó 20 min para llegar a Marte, o varios años para las estrellas más cercanas.

Ahora, como hemos visto esto es extrapolable a las ondas de radio que emiten nuestras radios o televisores… por lo que si sabemos cuándo se emitió una transmisión en concreto, podemos “conocer” a qué estrellas (o distancia) está llegando actualmente.
Por supuesto, estamos olvidándonos que la potencia de dicha transmisión decaerá con la distancia… por lo que a partir de una distancia dada no se podrá escuchar por ser muy débil, pero de momento no nos interesa esto.

Así, comparando las distancias a varias estrellas importantes y tomando varias emisiones “interesantes”, podemos observar por dónde van éstas ya. Y esto mismo es lo que hicieron los chicos de Abstruse Goose en la imagen de más abajo, donde podemos contemplar cómo los habitantes cercanos a la estrella Aldebarán (si es que existiesen), estarían contemplando “en directo” las imagenes de la 2ª Guerra Mundial, o los de Zeta Reticuli habrían quedado maravillados hace poco con las imágenes del Apollo 11 llegando a la Luna.

Por supuesto, las emisiones más recientes no se han alejado mucho de la Tierra ya que todavía no han tenido tiempo de viajar más, pero con los años irán alejándose como sus predecesoras.

Para terminar, cabe destacar que este es uno de los puntos que argumentan los del proyecto SETI de búsqueda de vida inteligente extraterrestre: si existiese una civilización medianamente avanzada (similar a la nuestra actualmente), ésta emitiría señales al espacio al igual que lo estamos haciendo nosotros, las cuales si fueran lo suficientemente potentes (o si estamos cerca de ellos), se podrían detectar. Aunque por el momento no han tenido el más mínimo éxito…

Más información:

Primera imagen y más información sobre el espectro electromagnético en Wikipedia.

Visto en Microsiervos.

La ciencia en España no necesita tijeras…

Con motivo del anuncio del increíble recorte que el Gobierno piensa dar al sector científico en España, en principio de hasta un 37% en el Ministerio de Ciencia, que finalizó en caídas medias de un 15% en los fondos de investigación (ambos obviamente suficientemente camuflados en la nota oficial de prensa), ha venido la obligación de este post, que forma parte de la campaña ideada originalmente por la Aldea Irreducible a la que ya formamos parte más de 700 blogs y más de 3.000 miembros, todo ello organizado en menos de 4 días.

Este debe de ser el colofón al anuncio de hace unas semanas de la Ministra de Ciencia de que España ya era un país de ciencia, que genera el 3% de la ciencia mundial, así que, habrán pensado, ya no necesitamos tanta inversión como hasta ahora…

Claro que se olvidó destacar que ese 3% se refiere, salvo en una gran minoría, a científicos españoles que han tenido que huir de dicho país para poder tener ese nivel en investigación, y que la inmensa mayoría (aprox. 999 de cada 1000) no puede volver aquí por no haber unas condiciones y nivel de investigación y trabajo suficientes.

Eso sí, no dudan en anunciar (en la nota de prensa del Ministerio, por supuesto) que “España es el 4º país europeo en capacidad de atracción y retención de talento investigador”.
Menos mal que tenemos tanto atractivo, porque si aún con él se tienen que ir la mayoría de científicos españoles…
Aunque falta por ver si dicho atractivo lo determinó los mismos que sostienen la alta calidad de la enseñanza española. Claro que teniendo en cuenta los sueldos ridículos, comparados a los de nuestros vecinos, que tiene un investigador, y la notable ausencia de proyectos importantes ó relevantes, es incomprensible por qué no se lanza media Europa a investigar en nuestro país…

Así que en lugar de realizar una inversión en I+D+i (Investigación + Desarrollo + innovación) para poder tener un nivel equiparable (ya no se pide el mismo nivel, pero sí que al menos se pueda comparar) al de Europa, que además traería una potenciación de la competitividad de cara al exterior y facilitaría nuevas inversiones en el país (esa es la principal razón por la que los países desarrollados, o racionales, aumentan aún más la inversión en I+D en épocas de crisis), aquí nos gusta más ir contra corriente y meter tijerezados a la ciencia en España.

Eso sí, las ayudas al cine no cesan y siguen aumentando, algo indispensable aunque no podamos verlo reflejado en las pantallas…

• Porque la inversión en España para la ciencia e investigación es ridículo, recordando que con el presupuesto del 2010 se vuelve a como estábamos en 2006, donde una empresa privada como es Ford invertía más en investigación que todo el gobierno español (datos de Unctad de hace varios años).
• Para que no se tengan que exiliar la mayoría de científicos españoles al extranjero.
• Para que los científicos españoles no tengan un sueldo ridículo comparado con el resto.
• Porque sin investigación y desarrollo no avanza ningún país.
• Porque es una de las pocas cosas donde sí se debe aumentar el presupuesto en épocas de crisis.
• Para poder tener competitividad a nivel internacional alguna vez.
• Y un largo etcétera…

Por todo ello:
NO! al tijeretazo y recorte del presupuesto en I+D en España

Algunas noticias en otros blogs:

En la Aldea Irreducible, junto a la propuesta de la iniciativa y el artículo delespejismo de la ciencia en España.

Poned el título de esta entrada en Google… veréis multitud de artículos sobre este tema, desde multitud de puntos de vista.

ACTUALIZACIÓN:
algunos de los artículos de lectura obligada (podéis encontrar la mayoría de blog subscritos al final de este artículo)

el de La ciencia de la Mula Francis

el de Maikelnai’s blog.

El futuro (en clave de humor, esperemos) que nos espera en mi mesa cojea.

Agujero al centro de la Tierra

Imaginemos que hiciéramos un túnel en línea recta hacia abajo, atravesando el centro de la Tierra y saliendo exactamente por el extremo opuesto.
Con este túnel, cabe preguntarse qué pasaría si nos tirásemos por él. Pero para ello, hay que barajar dos posibilidades que traen resultados diferentes: si dentro del túnel hay aire o no.

Con el túnel sin aire

Si no hay aire dentro del túnel, entonces no hay rozamiento durante la caída, por lo que la persona que se tire comenzará a ganar rápidamente velocidad a medida que desciende por el túnel.
Cuando vaya acercándose al centro de la Tierra, podrá observar cómo la aceleración que sufre va disminuyendo, aunque sin dejar de ganar velocidad. Esto ocurre debido a que la gravedad con que nos atrae la Tierra es proporcional a la masa de ésta, pero al estar en su interior, la gravedad con que nos atrae se debe únicamente a la masa que está más interna a nosotros, no afectando para nada la masa que hemos dejado “arriba”.
Este es uno de los resultados más bonitos (a título personal) que hay, y para el que quiera más detalles sobre por qué ocurre esto, tiene este enlace.

Debido a lo anterior, justo cuando esté en el centro, no notará ninguna gravedad, por lo que flotará como cualquier astronauta en el espacio (aunque en este caso sí es porque no hay gravedad, y no como les sucede a los astronautas que aunque tienen gravedad no la sienten debido a su movimiento).

Después de pasar el centro, comenzará a frenarse ya que ahora la gravedad le atrae hacia atrás, aunque no conseguirá pararlo hasta que llegue a la salida del túnel, donde podrá sujetarse par salir por dicha salida, en el otro lado del planeta.

Al final, tardará unos 42 min en llegar al otro extremo, pasando por el centro con una velocidad de unos 28.000 km/h (cálculos realizados utilizando una aproximación de densidad uniforme en la Tierra).

Con aire dentro del túnel

Ahora comentemos el caso más “probable” (es es que la idea de hacer un túnel así fuera posible), donde hay aire dentro del túnel.
En este caso, nuestro valiente intrépido sufrirá la fuerza del viento a medida que gana velocidad, lo que hace que tenga una velocidad límite (máxima), que para nuestra atmósfera (en la superficie) y para una persona, es de unos 200 km/h.
Por lo tanto, cuando llegue a esta velocidad no acelerará más, continuando su caída a velocidad constante. Esto hace que cuando pase el centro de la Tierra, se frene rápidamente, por lo que volverá hacia atrás antes de llegar al otro extremo, y realizará cada vez desplazamientos más pequeños respecto al centro, por lo que al final acabará detenido en el centro de la Tierra, de donde no podrá salir.

Problemas olvidados: interior de la Tierra

Hasta aquí, hemos visto cómo sería el movimiento de alguien que cayese a un agujero que atravesase la Tierra. Sin embargo, hay dos puntos que no se han tenido en cuenta. El primero de ellos, el interior de la Tierra.
Toda la “roca” o parte sólida que conocemos está en la corteza de la Tierra, la cual es una fina capa que está en el exterior del planeta, de no más de unos 70 km de espesor (en comparación, si la Tierra fuera una manzana, nuestra corteza sería más fina que la cáscara de dicha manzana).

Más adentro de la corteza, está el manto, fundido en su mayor parte, y en el interior el núcleo, de hierro líquido y sólido (en su parte central). Aquí se tiene una temperatura de hasta 5.000 ºC y una presión de unos 350 GPa (más de 3 millones de veces la presión de la atmósfera), por lo que cualquiera que pudiera encontrarse allí quedaría automáticamente desintegrado.

Problemas olvidados: la rotación de la Tierra

El otro gran problema es la rotación de la Tierra. Todos los puntos de la Tierra (aproximadamente) dan una vuelta al cabo de un día. Sin embargo, dado que la corteza se encuentra a una distancia mayor al centro que el manto, ésta tiene que moverse a una velocidad mayor para que en el mismo tiempo (un día) haya dado una vuelta completa.
Esto es importante ya que el que se lance por el túnel, llevará una velocidad igual a la de la corteza (aquí solo estamos teniendo en cuenta la componente de la velocidad perpendicular a la del túnel, y no la que tiene dirección hacia el centro de la Tierra). Así que al caer, verá como el túnel para que se queda atrás y él se va acercando hacia una de las paredes de éste.
Por esto, el aventurero no tendría tampoco una caída limpia siempre por el centro del túnel, sino que iría chocándose continuamente con las paredes de éste, haciendo el viaje aún más complicado.

Más información:

Artículo en Maikelnai’s Blog.

Tunel por el interior de la Tierra, fundamentos físico-matemáticos.

Estructura interna de la Tierra, en Wikipedia.

Fotones y la invarianza de Lorentz

En los últimos días ha aparecido un nuevo artículo que ha causado una gran atención y revuelo por parte de la física teórica, ya que se ha dado un paso más en la comprobación de la constancia de la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s) para todas las frecuencias (colores), lo cual puede ser un resultado que refuta varias de las teorías candidatas a unificar la física actual (la Relatividad General con la Cuántica básicamente).

El descubrimiento

Este artículo se basa en una observación reciente de un GRB (estallido de rayos gamma, o Gamma Ray Burst por sus siglas en inglés), los cuales son las explosiones más potentes que se conocen en el Universo, y que además duran un tiempo increíblemente corto: desde unos pocos milisegundos hasta unas pocas horas (según sean GRB de corta duración, menor a dos segundos, o de larga).
Que se libere esa enorme energía en tan poco tiempo significa que estos procesos que ocurren son extremadamente violentos, aunque por desgracia, todavía no se sabe muy bien qué los causa o qué son, aunque se cree que algunos son debidos a algún tipo especial de supernovas (debidas a estrellas extremadamente masivas) o colisiones entre estrellas con gran masa (entre dos estrellas de neutrones, por ejemplo).

Una de las cualidades de que sean tan energéticos es que emiten fotones (luz) de todas las frecuencias, desde luz visible hasta rayos gamma muy energéticos. Y aquí es donde vino este estallido en concreto, observado el 10 de mayo pasado con el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, donde se detectó el fotón más energético detectado hasta ahora, con una energía de 31 GeV (un fotón de luz visible tiene sobre 10 MeV, o 0.01 GeV, unas 3.000 veces menos energía).

Además de detectar dicho fotón con esa energía, éste llegó durante el primer segundo de la explosión (al mismo tiempo que otros fotones de energías más normales), que es el otro hecho que ha contribuido a que tenga tanta relevancia.

Las consecuencias

Una vez conocido lo que se ha medido, vienen las consecuencias de esto. Por una parte, con la física establecida de la Relatividad General tenemos la predicción de que todos los fotones (luz) viajan a la misma velocidad, esta es, la velocidad de la luz: 300.000 km/s (a esto se conoce como el invariante Lorentz).
Esta predicción permanece en la Teoría de Cuerdas (aunque algunas desviaciones de ésta predicen otras cosas también), pero en la Teoría Cuántica de Bucles, la otra gran teoría que está intentando unificar la Relatividad y la Cuántica, y otras teorías de gravedad cuántica, no predicen esto, sino que advierte de pequeñas desviaciones para fotones de gran energía, esto es, no todos los fotones viajarían a esa misma velocidad, y esto sería detectable para fotones de tan alta energía.

A pesar de que se predice esta desviación, no se sabe la forma de esta dependencia, por lo que podría ser lineal, cuadrática o de otra forma, pero con esta observación se rechaza que la dependencia sea lineal, ya que de ser así, y dada la lejanía de las fuentes de rayos gamma, estos fotones de tanta energía llegarían con horas o semanas de retraso.
Por supuesto, esto es un duro golpe contra la validez de las teorías de gravedad cuántica actuales, ya que este era uno de las predicciones principales que hacían y de los que se esperaba con mayor impaciencia.
A pesar de ello, todavía no sirve para descartarlas aún, ya que una dependencia cuadrática, por ejemplo, sería posible (este hecho es el no mencionado desde el lado de cuerdas).

De lo que si podemos estar seguros es que esto consiste en una prueba más de que las predicciones de la Teoría de la Relatividad son válidas, incluso a tan altas energías, ya que la velocidad a la que viajan dichos fotones y los de menos energía tiene que ser igual o mucho más cercana de lo que apuntaban algunas teorías (aunque nunca podemos estar seguros de que sea la misma, lo fundamental es ir poniendo límites a esta posible diferencia de velocidades).

Parece que la rivalidad entre ambas teorías seguirá por un tiempo al menos, como mostró de una forma acertada el capítulo de Big Bang Theory, usado precisamente este argumento para defender la cuántica de bucles (lo siento pero no encuentro un vídeo subtitulado):

Más información:

Artículo original, publicado en ArXiv.

Información suplementaria del artículo.

Buenas explicación en el blog de La ciencia de la Mula Francis (Francis thEmule science’s news)

Explicación en Back Reaction (blog en inglés de dos físicos teóricos)

Explicación en The Reference Frame (blog en inglés de un físico de cuerdas, un poco radical eso sí)

Estallidos de Rayos Gamma (GRB) en la Wikipedia inglesa.

Dios, el Universo y todo lo demás

Aquí tenemos un gran debate que se produjo hace unos 20 años en televisión (por supuesto no la española…) en el que participaron tres grandes científicos de dichos años: Carl Sagan, Stephen Hawking y Arthur C. Clarke. El primero conocido por la mayoría de la gente por sus documentales Cosmos, en los que trataba de una forma sencilla y con mucho éxito la astronomía y física, a la vez de ser un gran astrofísico planetario. El segundo, aún de actualidad de vez en cuando todavía hoy, físico teórico que realizó el siglo pasado varias contribuciones, a pesar de verse postrado en una silla y habiendo perdido el habla. Y el tercero, quizá algo menos conocido, fue un científico y escritor de ciencia ficción, que entre otras cosas nos dejó la obra 2001 Una odisea en el espacio. También realizó contribuciones al uso de satélites geoestacionarios para las telecomunicaciones y, al parecer (según entiendo del vídeo, aunque no tengo más datos), a la representación de los conjuntos de Mandelbrot, uno de los conjuntos fractales que se conocen.

En el debate, titulado Dios, el Universo y todo lo demás (“God, the Universe and everything else”) y de una hora más o menos, se van tratando diversos temas de actualidad (recordemos que fue emitido en los 80, por lo que algunas cosas no coinciden con lo que ya sabemos hoy), como la teoría del Big Bang y qué nos depararía en el futuro (todavía no se conocía el problema de la energía oscura), sobre la buscada teoría unificadora, posible vida extraterrestre, y sus ideas acerca de la idea de Dios, por ejemplo.

Un gran debate, de los que escasean demasiado, que está dividido en 5 vídeos de unos 10 min (al acabar uno salta automáticamente al siguiente).

ACTUALIZACIÓN: frente al fracaso de insertar el vídeo aquí para poder ver seguidos las 5 partes, os dejo aquí el enlace para verlo.

Visto en Cerebros no lavados.

El espejo en la Luna (Apollo 11)

Después de hablar sobre la llegada del Apollo 11 a la Luna, toca describir uno de los instrumentos que dejaron en la Luna, el único que aún hoy está en funcionamiento, y del que siempre me ha intrigado su funcionamiento, aunque como resultó ser, se basa en algo muy simple.

A unos 30 metros del módulo de descenso del Apollo 11, se puede observar que hay un pequeño cacharro de aproximadamente medio metro de ancho: un panel que consta de 100 espejos que apunta a la Tierra.
Con esto, mandando un pulso láser con cualquier radiotelescopio terrestre, se puede calcular fácilmente la distancia de la Luna a nosotros con una gran precisión (del orden de centímetros).

Esto es posible midiendo el tiempo que tarda la onda en llegar a la Luna y volver, ya que como ésta viaja a una velocidad constante (la velocidad de la luz: 300.000 km/s), este tiempo nos dice automáticamente la distancia que ha recorrido, que será igual al doble de la distancia Tierra-Luna (ya que medimos la ida y la vuelta).

Ahora bien, para que todo esto funcione bien, se necesita que dicho espejo devuelva el rayo incidente exactamente por el mismo camino por el que ha llegado éste (así dicho rayo volverá a la Tierra).

Sin embargo, esto ya crea un problema a cualquiera que sepa un poco sobre cómo se refleja la luz (y básicamente cualquier objeto al chocar sobre una superficie dada), ya que si esta incide con un ángulo a sobre dicha superficie, saldrá con un ángulo a, pero siguiendo hacia delante (ver imagen de la derecha), lo que provocaría que dicho rayo no volvería a la Tierra sino que se perdería por el espacio.

Así que.. ¿cómo solucionar esto?

Una de las soluciones que podríamos pensar es en orientar perfectamente el espejo apuntando hacia la Tierra, lo cual provocaría que el rayo volviese exactamente por donde ha venido.
Sin embargo, esto no es posible ya que (olvidando que se ha colocado en la Luna, por astronautas con un gran traje que no les permite excesivos movimientos y no se podría conseguir alinear con esa precisión el panel) aunque la Luna siempre nos enseña la misma “cara”, esto es, siempre vemos la misma mitad de ésta.

Aunque esto es cierto, lo es hasta cierto punto, ya que si bien “aproximadamente” vemos siempre la misma parte de la Luna, como consecuencia de varios movimientos que tiene esta (además de la rotación sobre su eje y la traslación en torno a la Tierra, están las libraciones como consecuencia de la excentricidad de la órbita de la Luna, que son movimientos análogos a un “cabeceo” de la Luna), causa que no veamos solo el 50% de la superficie lunar, sino que a veces vemos un poco más de algún costado y otras veces de otro… llegando a poder ver desde la Tierra casi el 60% de la superficie lunar (por supuesto no simultáneamente).

Esto hace que aunque apuntemos nuestro espejo muy bien hacia la Tierra, en unos días ya no estará apuntando hacia nosotros sino que se habrá desviado (debido a este “cabeceo” que presenta la Luna).

Ahora bien, hay una forma bastante simple que se les ocurrió a los miembros de la NASA sobre cómo hacer un espejo que refleje el rayo en la misma dirección en que le ha recibido. Y esta forma es poner prismas cúbicos (aquí, en vez de hacer uno, se construyó una red de 100 “espejos” para aumentar el rayo que se refleja), o también conocidos por retroreflectores.

Estos prismas trabajan de una forma análoga a lo que vemos en la imagen de la izquierda, donde vemos que al llegar un rayo con una inclinación dada (da igual la que sea, siempre que se mantenga dentro de un rango válido como para que el rayo realice un par de reflexiones en los espejos), éste se refleja en los dos lados del prisma, para terminar saliendo de éste con la misma dirección que la que traía inicialmente.
Así, conseguimos que dicho rayo retorne fácilmente a la Tierra y podamos medir el tiempo que ha tardado en regresar.

Conclusiones

De las medidas obtenidas durante estos años, se han podido obtener comprobaciones de la Teoría de la Relatividad (cualquier experimento que se propone se le suele aplicar para verificar dicha teoría), la constancia de la Constante de la Gravitación Universal introducida por Newton, o ver que la Luna se aleja de la Tierra a un ritmo de algo menos de 4 cm por año, lo cual es consecuencia de las fuerzas de marea que se ejercen mutuamente la Luna y la Tierra.
También de estas medidas se ha podido deducir que la Luna probablemente tiene un núcleo líquido que ocupa hasta un 20% de su radio.

El único problema que se esperaba de dichos espejos es que fueran cubriéndose de polvo lunar o que pudieran ser impactados por meteoritos que les destruyese. Sin embargo, ninguno de estos efectos han hecho que los espejos existentes (tanto por la misión Apollo 11 como por las posteriores misiones que también dejaron otros espejos en otros puntos de la Luna) dejen de estar operativos, por lo que parece que todavía seguirán siéndonos útiles durante mucho tiempo.

Por último, decir que aunque el proceso de medida parece fácil, tiene bastante más complicación ya que del pulso enviado, que cuenta con un gran número de fotones, solo unos pocos consiguen regresar a la Tierra, ya que una parte son absorbidos por la atmósfera terrestre, y otros se pierden en otras reflexiones sobre la Luna.

Para más información:

AstroSeti.

Imagen de los retroreflectores y de los diferentes paneles que hay colocados en la Luna. (en inglés)

Imagen en más detalle del panel que colocó, en esta ocasión, el Apollo 15 en la Wikipedia.

Artículo publicado en NewScientist. (en inglés)

Artículo que expone el núcleo líquido de la Luna. (en inglés)

Levitación magnética – superconductores

Aquí tenemos un vídeo donde podemos observar cómo conseguir que un objeto levite sin usar ningún truco y solo con el poder de nuestra mente, lo que lo convertiría en un buen número para cualquier mago, y que como de costumbre, tiene una buena base física.

¿Qué es lo que vemos exactamente?

Primero, conviene conocer los elementos que entran en juego en el experimento: un simple imán (la pieza cilíndrica dorada), Nitrógeno líquido (ese líquido que vierte sobre el recipiente y que echa humo) y un trozo de otro material.

Así que el único “truco” está en elegir convenientemente este material, el cual debe de ser un superconductor a alta temperatura.

¿Y qué es un superconductor?

Hay materiales que se definen como conductores debido a que permiten que los electrones que hay en ellos (solo una parte, no todos los electrones) se muevan libremente por el material. Dado que los electrones son cargas eléctricas, esto causa que por el material pueda circular una corriente eléctrica, convirtiéndose en un candidato para utilizarlo como medio para transportar electricidad.

El caso más conocido es el del cobre, que por su bajo costo y su alta conductividad es el utilizado para guiar todas las comunicaciones de teléfono y electricidad a nuestros hogares.

Sin embargo, todos estos materiales son conducen perfectamente la electricidad, sino que poco a poco ésta sufre pérdidas que se transforman en calor (el clásico efecto Joule) que ocasionan el calentamiento del cobre. Claro que las pérdidas presentes en el cobre por ejemplo, no son significativas salvo que trabajemos con unas corrientes enormes.

Pero a comienzos del siglo XX se descubrió que ciertos materiales, a temperaturas muy bajas, de unos pocos kelvin ( 0 K (kelvin) = – 273.15 ºC ), se comportan como conductores perfectos, esto es, no presentan ninguna pérdida u oposición a la corriente que circula por ellos, lo cual les convierte en los materiales idóneos para conducir corrientes eléctricas.

El único problema que presentaban es que para que se comporten de esa forma era necesario que su temperatura fuera esa tan baja. Pero varios años después se fue descubriendo materiales que mantenían este comportamiento hasta temperaturas de unos 100 K ( – 173 ºC ), y actualmente se está consiguiendo construir materiales que son superconductores a temperaturas de unos -100ºC.
Por supuesto que una de las búsquedas más importantes actualmente es la de conseguir un superconductor a temperatura ambiente, lo cual acarrearía grandes avances tecnológicos.

Sus propiedades y nuestro experimento

¿Y por qué tenemos que poner un superconductor debajo del imán? podríamos (deberíamos) preguntarnos.
La razón es que una de las propiedades que tienen estos materiales es que si están en presencia de un campo magnético (en este caso el creado por el imán), éstos se oponen totalmente a dicho campo, creando uno de sentido opuesto e igual intensidad, actuando de forma análogo a como si fuera otro imán, pero orientado con los polos opuestos al imán “real”.
Esto causa que ambos campos se repelan, por lo que el imán sufre una fuerza repulsiva hacia arriba que contrarresta a la de la gravedad, obteniendo un imán flotante y bastante estable.

Por último, cabe destacar que el Nitrógeno líquido (que se encuentra a unos 77 K, -196ºC ), se usa para enfriar el material superconductor hasta dicha temperatura, ya que a temperatura ambiente, como podemos observar no se comporta como superconductor.
Una buena imagen son los últimos segundos del vídeo, donde observamos cómo al irse calentando el material, sus propiedades de superconductor van desapareciendo, y por tanto ya no se crea ese campo magnético que repele al imán y éste va descendiendo debido a que la gravedad sí sigue haciendo su efecto.

El rayo verde y el cielo azul

Con este nombre (El rayo verde), que recuerda al de la novela de Jules Verne, hablamos sobre un efecto óptico que se puede ver en el Sol al atardecer (y al amanecer), y en el que se basa el argumento de la novela.

Por un lado, todos los días observamos que el cielo tiene un color azulado (algunas personas detallarán con una mayor precisión qué tono es… pero con esto nos vale), lo cual a veces puede entrar en confusión con el hecho de que el Sol luce con un color amarillento.. lo que (podemos pensar) provocaría que el cielo fuese amarillento también.
A esto se podría achacar la idea de que será debido al nitrógeno de la atmósfera (recordemos que ésta está compuesta por un 70% de dicho gas), pero esta no es la razón básica de este efecto.

ACTUALIZADO: Como bien apuntan en los comentarios, este efecto se debe principalmente a la dispersión que sufren las distintas longitudes de onda al “chocar” con los átomos de la atmósfera, conocido como dispersión de Rayleigh, la cual tiene la propiedad de que dispersa mucho más las longitudes de onda cortas (azules) que las largas (rojas). Así, un rayo de color azul será más dispersado que uno de color rojo después de atravesar una masa de aire.

Este fenómeno se puede entender de una forma simple viendo que los fotones al incidir sobre los diferentes átomos, interactúan con las nubes de electrones de éstos, lo que hace que cedan parte de su energía a dichos electrones, lo que hace que éstos se pongan a vibrar.

Sin embargo, éstos pronto vuelven al equilibrio, emitiendo de nuevo dicha energía mediante otro fotón.
Esta interacción se produce con mayor frecuencia con longitudes de onda cortas (azules), lo que hace que sean éstas las que se dispersan más, ya que los rayos que no interactúan con dichos átomos seguirán su camino inicial.

FIN ACTUALIZACIÓN

¿Y en qué se traduce esto?

Bueno, el Sol emite en todas las longitudes de onda visibles: desde el rojo al azul, aunque donde más emite es en el verde-amarillo. Así que esto provoca que los rayos azules emitidos por él se dispersen más que los rojos.

Por lo tanto, estos últimos los seguiremos viendo venir desde donde está el Sol (pues no varían mucho su trayectoria), pero los rayos azules se dispersan por toda la atmósfera… así que son éstos los que predominan cuando miramos en otras direcciones: esa es la principal causa de que veamos el cielo azul.

¿Y el rayo verde?

Una vez relatado lo anterior, vamos a otro momento especial: las puestas de Sol (también extendible a las salidas). Aquí, el Sol está en el horizonte, luego es el momento en que su luz debe atravesar una capa mayor de aire.

Y por lo que hemos visto, los colores azules se dispersan más que los rojos. Si mezclamos estas dos cosas, ya podemos comprender por qué solemos verle de un colo más rojo que cuando está a mayor altura: su luz se dispersa más.. luego ya solamente quedan los colores más rojos en el disco.

Además, justo en el momento en el que se oculta por el horizonte (aquí es indispensable tener un horizonte marino o totalmente llano), podemos ver (con mucha suerte) durante un instante un rayo de color verde.

Esto se debe a lo anterior también: los rayos rojos se dispersan menos, luego cuando éstos se ocultan por el horizonte, aún hay rayos verdes, que se han dispersado más, y por tanto que todavía no se han ocultado. Y en ausencia de los rojos, éstos se hacen visibles.

También hay posibilidad de ver algún rayo azul, pero este es aún más débil que el verde, por lo que prácticamente nunca es posible verle.

Referencias:

Rayo verde y azul en Wikipedia.

Rayo verde en la Imagen Astronómica del Día (APOD, 10 de noviembre de 2002) realizada por Pekka Parviainen.

Más información sobre el rayo verde.

Imperfecciones en superficies: interferómetro de Twyman

En muchas ocasiones se necesita garantizar que una superficie sea enormemente lisa, sin apenas imperfecciones. Esto, que es fácil de comprobar cuando no necesitamos garantizar que la superficie no tenga imperfecciones de más de algunas décimas de milímetro de altura, requiere de otros métodos cuando se necesita alcanzar precisiones del orden de la longitud de onda del visible (aprox. 10^-7 m, algo menos de una millonésima de metro).

Para estos casos, existe un montaje simple con el cual se puede conseguir dicha precisión fácilmente, echando mano del carácter ondulatorio de la luz.

De forma similar al interferómetro de Michelson – Morley, que utilizaron en su famoso experimento, se tiene una lámina que divide un haz de luz en dos, los cuales se reflejan en dos espejos planos y vuelven a juntarse a la salida. Al igual que pasaba con Michelson, en función de la diferencia de camino que hayan recorrido ambos rayos, se observará que ambos rayos dan una zona de luz u oscuridad.

La novedad viene debido a que si la luz incidente no viene de un punto sino de un haz paralelo (el cual se consigue poniendo una lente después de la fuente de luz), todos los rayos recorren la misma distancia luego en la pantalla observaríamos la misma intensidad de luz (o sombra).
Ahora, si sustituimos uno de los espejos por nuestra superficie, los rayos ya no recorren el mismo camino porque esta superficie no es totalmente plana, así que observaremos cómo se van produciendo “anillos” irregulares en la pantalla.

Así que observando la forma de estos anillos y contando cuántos se producen, podemos saber cómo es la (o las) imperfecciones que tiene nuestra superficie y qué altura tienen, de forma análoga a cómo en un mapa podemos ver el desnivel del terreno por las curvas de nivel. Eso sí, con esto no podemos estar seguros de si se trata de una “montaña” o de un “valle” en nuestra superficie.

Por ejemplo en la anterior imagen podemos ver cómo se tiene una pequeña imperfección en el centro de la superficie, lo cual crea que el patrón de luz no sea uniforme sino que se formen “anillos” (curvas de nivel) en función de la altura de las imperfecciones que tiene la superficie.

Experimento de Michelson – Morley

Volvemos con uno de los experimentos que contribuyó a la gran evolución que se dio a comienzos del siglo XX en la física: el experimento de Michelson y Morley, el que además ha sido uno de los más importantes experimentos que ha habido en la historia de la física, y uno de mis favoritos.

Antecedentes

A finales del siglo XIX se conocía que la luz era una onda electromagnética, que se propagaba a velocidad c (unos 300.000 km/s).

Esto, sin embargo, tenía un matiz que traía de cabeza a todo el mundo: hasta ese momento todas las ondas conocidas necesitaban un medio por el que propagarse: las olas de un estanque necesitaban el agua, las ondas sísmicas necesitaban la tierra, y el sonido (que ya se conocía que era otra onda) necesitaba el aire para propagarse.

Ahora, si suponemos que entre las estrellas que vemos y nosotros (el espacio vamos) no hay nada, esto entra en contradicción directa con que veamos la luz que nos llega de dichas estrellas.
Por lo que había que pensar en otra alternativa: en el espacio debería existir algo, un medio, que permite que se propage la luz: al cual se denominó éter, del cual no sabíamos en un principio absolutamente nada, ni de qué estaba “formado”.

Ahora, si existiese de verdad dicho éter, deberíamos ser capaces de observarle de alguna forma, y esto fue lo que propusieron Michelson y Morley, un experimento para medir dicho éter.

Base del experimento

No se sabía si este éter estaría en reposo o la velocidad que tendría, pero dado que la Tierra gira en torno al Sol (en un año da una vuelta), la velocidad del éter respecto al de la Tierra cambiará a lo largo del año, y esto produciría ligeros cambios en la imagen que nos da la luz.

Para ello, se utilizó un interferómetro de Michelson, el cual divide la luz que emite un foco luminoso (un láser por ejemplo) en dos haces, los cuales rebotan en dos espejos y se vuelven a juntar. Dado que la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda (es decir, un color muy definido), al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad.

Que se forme uno u otro depende de la diferencia de caminos que hayan recorrido los dos haces, lo que normalmente se hace variando ligeramente la posición de uno de los espejos (las variaciones de la posición deberán de ser similares a la longitud de onda de la luz, lo cual lleva a que serán de unos cientos de nanómetros: una diez milésima de milímetro).
Sin embargo, tambien se puede lograr el mismo efecto si estas distancias permanecen fijas pero la velocidad del medio por el que viaja la luz varía en uno de los brazos.

Así que variando la orientación de los brazos se debería observar un cambio en el patrón obtenido.

Resultados

Finalmente, y usando un instrumento que tenía unos brazos de 11 metros de largo (imaginaos las dimensiones del aparatito) y colocado sobre una “piscina” de mercurio para minimizar los movimientos del aparato, ambos físicos realizaron medidas de lo que ocurría.

Los resultados obtenidos en todas ellas fueron nulos: en ningún momento hubo ningún dato que apuntase a que la velocidad de la luz hubiera variado, o lo que es lo mismo, que el éter no tenía ninguna velocidad apreciable.

Sin embargo, esto mismo fue lo que condujo a que fuera uno de los más importantes experimentos, ya que con estos resultados se comenzó a pensar que dicho éter podría no existir, y se planteó que la luz podría viajar en el vacío, sin ningún medio de por medio, lo cual derivó finalmente en la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde ya se impuso la no existencia de dicho éter.

90 Aniversario de la comprobación de la Relatividad General

Tal día como hoy, hace 90 años, se realizó la primera comprobación de la Teoría de la Relatividad General, enunciada por Albert Einstein en 1915.

La Teoría General de la Relatividad (TGR)

10 años después de que el joven desconocido A. Einstein publicase tres artículos que revolucionaron buena parte de la física (entre los que se encontraba la base de la Teoría de la Relatividad Especial), este físico publicó su quizá más importante trabajo.

Aquí, consiguió (después de muchos años y mucho trabajo) extender las ideas de la Relatividad Especial, principalmente:

• El principio de equivalencia, que describe cómo una aceleración y la gravedad son equivalentes (es decir, los efectos que causa uno u otro son análogos, por lo que se puede usar uno u otro para describir un mismo suceso).
• Curvatura del espacio-tiempo, uno de los mayores saltos (a mi entender) frente a la descripción Newtoniana de la gravedad, es que se pasa de entenderla como una fuerza más, a entenderla como el efecto que causa la curvatura del espacio-tiempo sobre el que nos encontramos. Es decir, en vez de entenderla como una fuerza que crea la masa de los objetos (recordemos que el concepto de fuerza a distancia no es para nada intuitivo), se interpreta como un resultado de la geometría del espacio-tiempo.
  Esto se entiende fácilmente imaginando que el espacio-tiempo es una cama elástica, y los planetas son bolas que circulan por esta… que se van moviendo según dónde la cama tenga hoyos y esquivando los montículos.

Las dos predicciones básicas (inicialmente)

Como toda teoría física, ésta, además de describir lo que hemos observado hasta ahora, debe de realizar predicciones comprobables, de forma que se pueda determinar si es plausible que la realidad se comporte así o no.

En este punto, la TRG traía rápidamente dos predicciones no hechas hasta ahora:

• La precesión del perihelio de Mercurio, algo que había sido observado desde hace muchos siglos, y que la ley de la Gravitación Universal de Newton no conseguía explicar: el por qué el perihelio de Mercurio (su distancia más corta al Sol) al cabo de los años iba moviéndose (desviándose) varios segundos de arco.
  La explicación de por qué la TRG lo explicaba se puede entender sabiendo que la gravitación de Newton es una aproximación de la TRG cuando la gravedad con que se trabaja es pequeña (por este hecho todavía se sigue utilizando para movimientos interplanetarios). Pero dado que Mercurio está muy cerca del Sol, aquí la gravitación comenzaba a diverger respecto de lo que se observa, debido a que predice una fuerza de la gravedad menor de lo que realmente es.
• Curvatura de la luz por la gravedad. Esta es la predicción básica con la que se comprobó dicha teoría.
  La TRG predice que la luz, al pasar cerca de un campo gravitatorio grande (por ejemplo cerca de una estrella), su trayectoria se curvará, al igual que sucede con un cuerpo que pasa cerca.
  Si bien esto también se consiguió explicar con la gravitación de Newton, los ángulo de desviación que se obtenían aquí eran la mitad de los que predecía la RTG.

Comprobación

Así que una vez conocido un fenómeno que es predicho, solo queda observarle.
Para ello, se debía comparar la posición de un objeto (una estrella) cuando la vemos sin ningún objeto masivo entre ella y nosotros, y cuando está cerca de uno.
Esto que en principio no parece muy complicado, solo se podría obtener observando una estrella (que podemos ver su posición una noche cualquiera) cuando iba a ser eclipsada por el Sol, un objeto con suficiente gravedad como para producir una desviación de la luz de la estrella apreciable.

Claro que la luz del Sol oculta la de la estrella… por lo que solo se podría medir en un momento concreto: cuando éste es eclipsado por la Luna (en un eclipse de Sol). Así que se buscó uno propicio, en el cual hubiese una estrella lo suficientemente brillante cercana al borde del Sol para poder verla durante el eclipse.

Para esto, se tuvo que esperar hasta el año 1919, en donde se envió dos expediciones inglesas para observar el eclipse total del 29 de mayo. Una de ellas fue hasta la Isla de Príncipe (Golfo de Guinea), dirigida por Sir Eddintong (que estuviera este gran físico ya nos dice lo importante que era esta medición); y otra que se instaló en Brasil, dirigida por Crommelin.

Como siempre en cualquier fenómeno astronómico, las nubes hicieron acto de presencia y dificultaron la toma de datos, impidiendo prácticamente que una de las expediciones pudiera tomar imágenes razonables, aunque la otra consiguió aprovechar varios claros, y medir un ángulo de desviación de acuerdo con lo predicho.
Para la estrella en cuestión, dada su distancia angular al Sol en el momento del eclipse, se predecía una desviación de 1.745″, mientras que las dos expediciones midieron ángulos de aproximadamente 1.6 y 1.9″.

Aunque pueda parecer que son diferentes, dados los errores en dichas medidas, el ángulo predicho era coherente con éstas (durante todo el siglo hubo medidas cada vez más precisas obviamente).

Así que con esto comenzó una nueva interpretación del Universo a sus escalas grandes, lo cual ha traído muchos nuevos descubrimientos y avances, y, por supuesto, muchas más preguntas.

NOTA: En la última imagen tenéis el negativo de una de las imágenes que sacó una de las expediciones originales, donde se ve el Sol eclipsado, su corona (visible durante el eclipse) y las estrellas marcadas que fueron tomadas para medir posiciones.

Enlaces relacionados:

Astrocosmos (confirmación de la TRG).

Wikipedia.

El triunfo de la ciencia

Aquí estoy otra vez de vuelta con otra entrada (a un ritmo muy bajo de una por semana más o menos, pero en un mes volveremos con más fuerza), esta vez explicando un poco el método científico.

Desde siempre se pueden ver críticas hacia la ciencia o el método de cómo trabaja (normalmente por parte de filósofos o gente de letras), culminando muchas veces en críticas donde se mete en el mismo saco a investigaciones científicas con investigaciones o trabajos filosóficos o religiosos (como en uno de los comentarios recientes).

Esto normalmente (casi siempre) se produce por un desconocimiento por parte del crítico de cómo se trabaja dentro de la ciencia, que es completamente diferente a cómo se trabaja en otros ámbitos.

Dentro de un ámbito científico, se pueden publicar teorías más o menos especulativas (como las que están actualmente intentando conjugar la Relatividad con la Cuántica), las cuales suelen dar mucho juego en documentales o artículos.

Sin embargo, y a diferencia de lo que ocurre en el terreno de letras, estas teorías han de pasar obligatoriamente por una comprobación experimental (que normalmente viene publicada junto con la propia teoría) la cual verificará si las predicciones que hace dicha teoría se cumplen o no.
Esto culmina siempre de dos formas: o bien el experimento ha confirmado la teoría y por lo tanto, esta teoría es válida para describir una parte de la Naturaleza; o el experimento refuta la teoría, por lo que ésta deja de tener cualquier interés y quedará olvidada como algo que no sirve.

Precisamente esto es lo que garantiza que las teorías actuales describen la realidad al menos hasta los límites donde se ha medido esta, lo cual ha dado lugar a que se haya podido avanzar enormemente durante los últimos siglos (desde que se impuso este método racional sobre el método filosófico que apoyaba al propio pensamiento sin necesidad de comprobación), y no suceda como en la época de Aristóteles, donde gracias al valor que se le daba a sus teorías, éstas no fueron comprobadas en siglos, lo cual introdujo unos pensamientos erróneos (en filosofía puede que fuera un gran hombre, pero de todos los temas científicos donde metió su cabeza, ni se acercó lo más mínimo a la realidad en ninguno de ellos (o prácticamente en ninguno)).

Por esta razón, aquí no valen los argumentos de poder o los “intuitivismos” (“porque es intuitivo…”), sino solo los resultados que lanzan los experimentos realizados, al igual que la Relatividad General necesitó del eclipse de Sol producido en 1919 para que fuera comprobadas sus predicciones (la cual describiré en una próxima entrada), o se desechara el modelo de Thomson de los átomos porque no encajaba con lo que se observó en el experimento de Rutherford.

Por esta razón, nunca se puede poner en la misma balanza el Creacionismo con la teoría del Big Bang, ya que mientras la primera solo nace del pensamiento de unos pocos (y que afortunadamente no defiende ni la Iglesia) sin ningún tipo de autocrítica o respaldo, la segunda nace a partir de las observaciones que tenemos actualmente del Universo, las cuales nos muestran que éste pasó por una época en la cual estuvo mucho más comprimido y caliente que actualmente. A su vez, esta propia teoría define sus limitaciones:
consigue explicar la evolución del Universo desde pocos tiempo después del Big Bang (considerando éste como el “estallido” que predice la teoría si ésta se cumpliera en ese instante) hasta ahora, pero en ese instante, la propia teoría fracasa, por lo que no puede realizar ninguna predicción de lo que ocurrió y hasta tener una teoría mejor no podemos saber qué es lo que verdaderamente ocurrió en dicho instante.

Un libro muy recomendable que recoge estos y otros temas relativos a la visión de la ciencia actual es La razón estrangulada, de Carlos Elías.

Plasmones

Bueno, esta entrada viene como consecuencia de una cierta conferencia a la que tuvimos que asistir donde se habló de las propiedades ópticas de estos objetos, a partir de la cual ha habido varias solicitudes para que los explicase un poco y finalmente pudiéramos comprender qué son…

Primero decir que la “plasmónica” es un tema que es actualmente puntera en la investigación (junto a la nanotecnología) y que puede dar varios avances en poco tiempo, por lo que es un tema bastante interesante.

¿Qué son los plasmones?

Para esta explicación, vamos a describir una ruta lenta, partiendo de cosas conocidas, que en principio no tienen nada que ver, e iremos avanzando poco a poco, de forma que no haya ningún salto “muy incomprensible”.
Partiendo de un metal (por ejemplo una barra de hierro), se conoce que éstos se caracterizan por tener un número grande de electrones que se pueden mover a lo largo de todo el metal, sin estar “atrapados” a ningún átomo (de hierro en el ejemplo) en concreto. Estos electrones, llamados de conducción (porque se pueden conducir a lo largo de todo el metal), básicamente existen solo en los metales (también en los plasmas) y son los que provocan que éstos sean unos buenos conductores de la electricidad (recordemos que un electrón es una carga eléctrica, por lo que que se puedan mover “libremente” significa que transportan carga eléctrica de una forma bastante buena).

Ahora, y cambiando a otro tema, conocemos de la mecánica cuántica que todos los objetos son a la vez una onda y una parta (son dos descripciones equivalentes de cualquier objeto), por lo quícule un electrón, por ejemplo, tiene una onda asociada con una longitud del orden del armstrong (una 10 mil millonésima de metro).

Esto viene a cuenta de que, en el anterior metal, los electrones pueden comenzar a moverse por el metal de una forma análoga a las olas del mar (formando olas por el metal), por ejemplo cuando incide luz (fotones) sobre éste, que interacciona con éstos.
Estas olas por supuesto no son de agua ni nada similar, sino de “carga eléctrica” (la de los electrones).

En la comparación con un estanque, el fotón de luz sería la piedra, y que al incidir sobre el metal (agua) se crean ondas (en el caso del agua como perturbación de éste vertical: el agua sube y baja) longitudinales: en vez de subir y bajar, el movimiento de los electrones es de alante-atrás.

A estas ondas que se forman, se las llama plasmones (en concreto, superficiales, ya que se propagan por la superficie del metal).
Una de las peculiaridades que tienen es que no viajan una gran distancia, sino que duran bastante poco en su propagación por la superficie del metal.

Como contrapartida, existen otro tipo de plasmones, los localizados, que se producen cuando en vez de una superficie metálica, lo que tenemos son diminutas partículas metálicas (de escala nanométrica, es decir, la millonésima parte de un milímetro).
Si una luz, que tenga una frecuencia adecuada, incide sobre dichas partículas, se produce un plasmón en éstas, es decir, los electrones de esta partícula comienzan a vibrar con una frecuencia determinada, lo que produce una emisión en diferentes direcciones (scattering) de radiación con dicha frecuencia (luz de un color determinado).

Posibles aplicaciones prácticas

Ahora viene la clásica pregunta… ¿para qué puede servir todo esto?
Para empezar, como se puede entrever de la descripción anterior, juegan un papel fundamental para variar las propiedades ópticas utilizando metales.

Por ejemplo, utilizando partículas metálicas nanométricas se puede definir el color (qué luz refleja) de diferentes superficies u objetos. Esto es básicamente lo que se hacía para “teñir” los cristales de las catedrales antiguas, en los que se introducían pequeñas partículas metálicas que le daban el color al cristal.
Sin saberlo, ya se hacía nanotecnología en la Edad Media, ya que aquí, son precisamente estos plasmones los que causan que la vidriera tenga un color u otro.

A su vez, dado que son partículas tan pequeñas, y tienen una gran “sensibilidad” a su entorno, se están utilizando actualmente para poder ver con una gran resolución pequeños tejidos o células, sin más que colocar dicho plasmón en el lugar deseado de la célula, y después observarle con luz visible, con la ventaja de que al usar luz visible, se pueden observar células vivas, sin matarlas como ocurre al observarlas con rayos X u otra radiación más energética.

Por otro lado, los plasmones superficiales tienen otras aplicaciones como transmisores de información en futuros chips, ya que estas ondas viajan sobre la superficie del metal, lo que hace que si son guiadas adecuadamente, puedan ser utilizadas para conducir información de un lugar a otro.

Más información:

Wikipedia (en inglés)

Plasmones de superficie (en inglés)

Basque Research (en español)

Antipartículas, esas cosas raras ( y II )

Siguiendo la historia de las antipartículas, ahora abordaremos su descubrimiento experimental y las preguntas que trajo.

Descubrimiento experimental

Una vez hecha la predicción teórica… solo hace falta la confirmación experimental de que realmente es así.

Y ésta llegó de la mano Carl Anderson en 1932 dentro de una cámara de niebla, una “caja” con agua en unas condiciones de temperatura y presión determinadas y un campo magnético, de forma que cuando viaja una partícula cargada eléctricamente, deja una “estela”, y partículas de diferente carga viajan en direcciones opuestas.
Aquí, observó que cuando incidía un rayo cósmico, se producía un electrón y un positrón (su antipartícula), saliendo de forma análoga a lo que vemos en el dibujo de la izquierda.

Hoy en día se conoce que cuando un fotón (un rayo de luz) con suficiente energía (rayo X o gamma) viaja por un medio donde hay varios núcleos (es decir, en el vacío no se produce), hay una probabilidad alta de que éste se desintegre en un par electrón-positrón.

Por supuesto, el suceso contrario se produce muchas veces también: un electrón y un positrón que se encuentran, automáticamente se destruyen siempre, produciendo dos fotones.

¿ Por qué no vemos más antimateria?

La pregunta que nos podemos hacer llegados a este punto es… ¿ por qué todo lo que vemos es “materia” (formada por partículas) y no vemos antimateria (formada por antipartículas) ?, porque en principio la intuición nos diría que habría una cantidad semejante de ambas.

Y esta es una de las preguntas fundamentales que hay en la física actual sin resolver. A lo que se ha llegado es que después del Big Bang, el número que había de materia y antimateria tenía un ligero predominio de la primera (de 1 partícula más cada 10 mil millones), lo cual originó que al irse destruyendo mutuamente, sobreviviera una de las dos formas.

Claro que que a esto lo llamemos materia y a lo otro antimateria solo es porque es lo “raro”, pero de igual forma el Universo podría haber estado constituído de “antimateria” y no habría ningún cambio en absoluto.

Nuevas interpretaciones

Cabe destacar, que con la Teoría cuántica de campos (la teoría actual que mejor describe todas las partículas y sus interacciones), ya no es necesaria la interpretación de Dirac de las antipartículas como “huecos dentro de un mar de partículas”, con todos los problemas que esto traía (la existencia de una carga infinita, por ejemplo).

Posibles aplicaciones

Ahora, una vez conocido que existe las antipartículas (o antimateria), cabe preguntarse qué usos se puede extraer de ellas.
Por supuesto, aunque es relativamente fácil obtener positrones, es más complicado almacenarlos, ya que esto se debe hacer con campos magnéticos muy fuertes de forma que no se les permita acercarse a ningún electrón (lo que llevaría a la destrucción de ambos).

La gran ventaja que sí se podría sacar es que la conversión de materia-antimateria en radiación (al destruirse mutuamente) es eficiente al 100%: toda la “materia” inicial se convierte en radiación.
Puesto que cualquier transformación de energía actual no tiene una eficiencia más allá del 20% normalmente, esto supondría la posibilidad de crear motores con una eficiencia sin precedentes, por ejemplo, para naves espaciales.

Esta es una de las investigaciones donde más se está profundizando, aunque debido al costoso mantenimiento de tener antimateria, todavía no se ha podido hacer demasiado viable y aún no se ha probado ningún motor así, pero las aplicaciones que se están intentando son prometedoras.

Antipartículas, esas cosas raras ( I )

De vez en cuando se oye en varias noticias eso de “antipartículas“, algo que nos suena más bien a ciencia ficción o destrucción total. Pero… ¿ qué son realmente y de dónde surgen las antipartículas ?

Antipartículas

Conocemos que toda la materia está formada por unas “pocas” partículas, fundamentalmente protones, neutrones y electrones (hay muchas otras, pero atengámonos a las básicas).
Cada una de ellas tiene una masa, carga (positiva, negativa o neutra) y spin (algo así como un “giro” de la partícula) propio, y diferente de el de otra partícula.

Ahora, ¿ qué ocurriría si tenemos, por ejemplo, un electrón, con todas sus características comunes, pero con una carga positiva, en vez de negativa ?
Pues que tenemos lo que se conoce como positrón (la antipartícula del electrón).

Eso son las antipartículas, una partícula normal, pero que tiene una carga contraria a la que solemos observar.
Así, tenemos el antiprotón, el positrón o el antineutrón.

Aquí, cabe comentar que, como el neutrón tiene carga cero, su antipartícula sería ella misma. Sin embargo, en el anterior post hemos visto que el neutrón está compuesto de 3 quarks, y estos sí tienen carga. Por lo tanto, un neutrón sí se diferencia de su antineutrón en que está formado por antiquarks, en vez de quarks.

Descubrimiento teórico

Como en muchos sucesos de la física, primero se encontró teóricamente su existencia, y después llegó la comprobación experimental.
Esta predicción vino de Dirac, uno de los grandes científicos que contribuyó notablemente en la mecánica cuántica.

Una vez Schrödinger hubo descrito el “estado” de cualquier partícula mediante una ecuación de ondas (recordemos que la primera contribución de la mecánica cuántica fue que determinaba que todos los objetos son ondas y partículas a la vez, y que toda su información viene descrita por una ecuación de ondas) solo quedaba una cosa para tener una teoría completa, y esto era la descripción para sistemas relativistas (que se mueven a velocidades próximas a la de la luz).
Por supuesto, esto requería conjugar la nueva teoría cuántica, con la relatividad de Einstein.

El problema llegó cuando Klein y Gordon obtuvieron una ecuación, en la que, entre otros problemas, se predecía que cualquier sistema pudiera tener energía negativas sin ningún límite inferior.

Esto, que en principio puede que no nos parezca mucha complicación, tiene un gran inconveniente: conociendo que la naturaleza siempre tiende al mínimo de energía, significaría que todo estaría en caída contínua, perdiendo energía, cosa que obviamente no vemos: un electrón se mantiene orbitando al núcleo en un átomo y no sigue descendiendo hacia el protón y continúa “más allá”.
Esta fue la razón por la que los propios autores rechazaron su ecuación.

Sin embargo, cuando Dirac, a través de otro razonamiento, llegó a otra ecuación distinta, también relativista, que describía muy bien el comportamiento de los electrones, se dio cuenta que le ocurría lo mismo: existían infinitos niveles de energía negativa.

Pero la genialidad de Dirac le hizo no rechazarla:
si suponemos (esto era su hipótesis) que estos niveles están completos con partículas (ojo, con esto, de repente tendríamos infinitas partículas en unos niveles de energía que no se comprendían), entonces todo funcionaría como lo vemos, ya que al estar completos, la partícula no podría caer a éstos.

¿ Y qué ocurre si una de esas partículas que ocupan esos niveles “saltara” a uno de los de energía positiva (los normales) ?
Pues que veríamos como si (una de las palabras mágicas en la física) hubiera una partícula normal, pero de carga contraria, debido al “hueco” que se ha creado.
Y esto es lo que denominamos antipartícula

En el siguiente post detallaremos cómo evolucionó la comprensión de estas “partículas”.

Acerca del descubrimiento del Quark top solitario

Después de unas dos semanas sin poder escribir, aquí vuelvo de nuevo a la carga, con varios temas ya pensados…

De momento, toca explicar una noticia que salió en bastantes sitios hace varias semanas, y de la que no se ha detallado mucho, que es la observación, por primera vez, de un quark top de forma solitaria, que además tiene participación de los miembros del IFCA (Instituto de Física de Cantabria), por lo que lo tenemos “bastante cerquita”.

¿Qué es un quark?

Conocemos que toda la materia que vemos está compuesta por átomos, de hidrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Al principio se pensó que éstos era la “unidad” más pequeña en que se podía dividir la materia. Sin embargo, pronto de descubrió que éstos están a su vez compuestos por un núcleo, que contiene protones y neutrones, y una “envoltura” formada por electrones.
Lo más reseñable de estas partículas es que los protones y los neutrones tienen una masa similar, y mucho mayor que la del electrón, mientras que éste tiene una carga negativa, y de igual módulo que la carga del protón (que es positiva). El neutrón por su parte no tiene carga alguna.

A su vez, hoy en día se conoce que los protones y neutrones están formados por otras partículas más pequeñas: los quarks, concretamente están formados por tres quarks cada uno.

Hay seis “tipos” de quarks conocidos, a los que (con una cierta imaginación) se les ha llamado top, botton, up, down, charm y strange. Y la peculiaridad que tienen es que fueron las primeras partículas que se conoció con una carga inferior a la del electrón, e, (que se consideraba fundamental), ya que cada uno de ellos tienen carga o -e/3 o + 2/3 e.

Actualmente, los quarks se consideran irreducibles, es decir, no están formados por otras partículas más pequeñas.

¿Qué es lo extraño en que se vea “solo”?

Lo que se ha logrado en este experimento, es observar un quark top solitario.
La extrañeza del logro, radica en que para observar quarks, hay que bombardear con muy altas energías a los protones y neutrones con sus respectivas antipartículas, para conseguir que se “desunan” los quarks que los forman y podamos verlos como tales.
Esto, normalmente se produce por efecto de la fuerza nuclear fuerte (una de las 4 fuerzas fundamentales en la naturaleza), con la que se producen siempre pares de este tipo de quark, y por lo tanto nunca se había podido ver un único quark, sin su respectiva pareja.

Sin embargo, esta vez se ha observado debido a la interacción con otra fuerza: la nuclear débil. Ésta provoca que un único quark top “salga” del nucleón (nombre genérico para el protón o neutrón).
Lo complicado de este segundo método es que es muy difícil de detectar, ya que aproximadamente una de cada 20.000 millones de colisiones producen un quark de este tipo, mostrando una señal muy débil (casi ocultada por el ruido que haya de fondo).

Por lo tanto, a pesar de que hace ya 14 años de que se descubrió el quark top, nunca antes se le había conseguido ver “soltero”.

¿Qué ventajas puede traernos este descubrimiento?

Una de las cosas más importantes que ha traído esta detección es que el avance que se ha conseguido en métodos de análisis de datos (que han sido usados por primera vez para conseguir detectar este quark) ya se está aplicando a partir de este momento en la búsqueda de otras partículas igual o más difícil de detectar, como es el bosón de Higgs, lo cual facilitará mayores avances en estos estudios.

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Caída a un agujero negro II

Ahora retomemos de nuevo la caída de nuestro astronauta hacia el agujero negro, pero desde el punto de vista de la nave que se quedó afuera, observando el acontecimiento.

Para ello, ahora obligamos al astronauta que durante su descenso nos vaya informando de dónde está por medio de una luz: cada 10 segundo nos debe lanzar un rayo de luz azul hacia la nave (aunque parezca un capricho, luego veremos el por qué de este color). Así sabremos dónde se encuentra y que sigue vivo.

Con esta misión, el astronauta comienza a alejarse de nosotros e ir acercándose al agujero negro (después de despedirse ya que sabe que no volverá a vernos).
Al principio, cuando todavía está lejos de entrar al agujero negro, vemos cómo cada 10 segundos recibimos una luz azul brillante desde un punto del espacio. Señal de que todo va como lo esperado.

A medida que nuestro intrépido astronauta se va acercando al agujero, observamos una cosa curiosa:
las señales ya no llegan cada 10 segundos, sino que comienzan a llegar en intervalos ligeramente mayores: cada 11, 12,…. segundos. Además, ya no vemos una luz azul… sino que comienza a tener una coloración algo más verdosa.

El tiempo podría ser debido a que nuestro astronauta comienza a cansarse de informarnos… pero ¿ y la luz ?. Solo llevaba un láser azul… que no puede variar su color.

Cuanto más cerca del agujero se encuentra, más claros son estos dos efectos: el intervalo de tiempo entre cada señal se hace aún más grande, y la luz que vemos ya ha pasado de amarillo a ser de color rojo.

¿Qué está ocurriendo ?

Lo que observamos aquí son dos efectos puramente relativistas: todo cuerpo que se encuentre cerca de una zona con una alta gravedad, experimenta un paso del tiempo más lento (análogo a cuando se viaja a una velocidad próxima a la de la luz). Por ello, aunque para nuestro astronauta, él sigue mandando pulsos cada 10 segundos, nosotros desde la nave los vemos que suceden cada más tiempo.
Digamos que los relojes de la nave van más deprisa que el del astronauta.

Este hecho también se observa en otros sitios más comunes, como en la Tierra, donde también se ha podido observar que “el tiempo” transcurre de una forma más lenta en los satélites artificiales que en la superficie de la Tierra. Solamente que aquí, como la gravedad de ésta es mucho menor, el efecto es prácticamente despreciable, ya que solo se observa una variación inferior a millonésimas de segundo.

Por otro lado, el efecto que vemos sobre la luz es debido también a la gravedad del agujero negro, como ya se trató en su día en esta entrada: la luz debe vencer el campo gravitatorio del agujero negro para salir, por lo que debe perder energía (dicho con ideas sencillas). Y la luz la única forma que tiene de perder energía es haciendo mayor su longitud de onda (lo que nos da su color). Así, cada vez tendrá una longitud de onda mayor: de azul pasa a ser verde, de verde a amarillenta, luego a roja, y por último se irá metiendo en longitudes de onda que nuestros ojos ya no son capaces de ver: infrarrojo, microondas y por último radio.

Finalmente, cuando el astronauta estará a punto de atravesar el horizonte de sucesos del agujero negro (la región pasada la cual ni la luz puede escapar de éste), nos quedaremos esperando indefinidamente hasta el último pulso de luz.

Aunque el astronauta pensará que lo ha hecho en poco tiempo (pongamos, una hora), para nosotros habrá transcurrido un tiempo infinito. Es decir, nunca llegaremos a ver cómo el astronauta se introduce en el agujero negro, ya que cuanto más cerca se encuentra de éste, más lento observamos su movimiento (recordemos que su tiempo pasa cada vez más lentamente). Así, observaríamos cómo se va aproximando cada vez más lentamente hacia el horizonte de sucesos, pero sin llegar a atravesarle…

Caída a un agujero negro I

Después de bastante tiempo sin escribir, vuelvo a la carga con un tema entretenido: la descripción de qué veríamos si estuviéramos cayendo hacia un agujero negro.

Por supuesto, omito cómo hemos conseguido hacer llegar a nuestro astronauta hasta dicho objeto, ya que cualquiera de éstos están excesivamente lejos como para ni plantearse una cosa así (salvo que se convenza a alguien para pasarse varios millones de años a bordo de una nave).

Así que, supongamos que tenemos nuestra nave orbitando en torno a un agujero negro. Aquí cae el primer prejuicio que tenemos respecto a este tipo de objetos: salvo que estemos a una distancia muy cercana, la gravedad que generan es idéntica a la que genera una estrella (o cuerpo) que tenga su misma masa. Por lo que una nave puede orbitar en torno a él de igual forma que lo hace en torno a la Tierra.
Por ejemplo, si sustituyéramos al Sol por un agujero negro con la misma masa que el Sol, la Tierra no notaría absolutamente ninguna diferencia (obviando la falta de luz claro), por lo que nuestra órbita seguiría siendo la misma, sin sufrir ningún cambio.

Ahora, nuestro astronauta se monta en una sonda, dejando la nave principal que continúa orbitando al agujero negro, y comienza a descender hacia el agujero.
A medida que desciende, va lanzando señales luminosas (pongamos, de color azul) hacia la nave, con el fin de que puedan seguir su trayectoria.

Al comienzo de su descenso, no detecta ningún síntoma raro. Es análogo a cualquier descenso anterior que ha realizado hacia la Tierra cualquier astronauta.
Sin embargo, a medida que se va aproximando comienza a notar ciertas diferencias: la gravedad varía de una forma más rápida, lo que provoca que la gravedad que siente su cabeza sea ligeramente distinta a la que sienten sus pies (lo mismo ocurre aquí, en la Tierra, solo que la diferencia es demasiado pequeña como para notarlo), provocando que su cuerpo comience a “estirarse”.
Este efecto es más notable cuanto más cerca está del “agujero” y cuanto más pequeño sea éste, ya que para los supermasivos (como el que hay en el centro de las galaxias) el tamaño es mucho mayor, reduciendo así esta intensa variación en la gravedad.

Siguiendo su caída, y alzando la vista, observa que ve todo el cielo “deformado”, concentrándose en el punto opuesto a donde se encuentra el agujero negro. Esto se debe a la intensa curvatura que produce sobre la trayectoria de la luz la gravedad del agujero.

Cuando el astronauta se aproxima al horizonte de sucesos (la región del espacio que consideramos como la “superficie” del agujero, que cubre los puntos del espacio donde ya la luz no puede escapar del agujero), éste va notando cada vez una diferencia de gravedad mayor (lo que le causaría un gran dolor hasta que su cuerpo no lo aguantase, aunque aquí suponemos el astronauta-chicle), cada vez ve el “cielo” más concentrado en el punto opuesto al centro del agujero negro y de un color cada vez más “azul”. Fijándose, observa que en éste, comienzan a suceder cosas cada vez más rápido (todo parece moverse a una velocidad mayor). Aquí esta otra de las consecuencias de un campo gravitatorio tan intenso: el tiempo comienza a transcurrir mucho más lento, por lo que para él, es el resto del Universo quien va mucho más rápido.

Finalmente, cuando atraviese el horizonte de sucesos, nuestro astronauta no observará absolutamente NADA, sino que seguirá observando lo mismo que un instante antes de entrar: continúa su doloroso (cada vez más) viaje hacia el centro del agujero negro, en donde ya la física actual deja de funcionar y aún no podemos saber qué observa.

En este vídeo tenéis una recreación por ordenador realizada por miembros de la Universidad de Colorado de una caída similar:

La próxima entrada, veremos cómo ven esta caída desde la nave principal, que sigue en órbita.

Artículo relacionado en New Scientist y en Ciencia Kanija.
Artículo original en ArXiv