Archivo de la categoría: Física

¿Por qué unos materiales conducen mejor el calor que otros?

Esta semana tocaba vídeo nuevo y hoy he querido explicar cuál es la causa de que unos materiales conduzcan el calor mejor que otros y, de paso, por qué podemos caminar sobre ascuas incandescentes sin hacernos daño, pero no sobre una plancha de acero que se encuentre a la misma temperatura.

¡Espero que os guste!

Respuestas (LXXII): ¿Por qué casi todos los metales son grises?

Un señor que se hace llamar Pepe dejó escrita la pregunta de hoy en la entrada del vídeo en el que extraía hierro de unas rocas. Os dejo aquí su comentario, para que Pepe pueda comunicaros los matices de su duda en sus propias palabras:

Aprovecho para recordar que podéis enviarme vuestras preguntas a jordipereyra@cienciadesofa.com (este es un caso extraordinario).

Tienes toda la razón, Pepe, quitando el oro, el cobre y el cesio, los elementos metálicos (señalados en verde en esta imagen) tienen un color más bien grisáceo que dificulta mucho la tarea de distinguirlos a simple vista.

¡Bah! Chorradas, podría distinguir claramente cualquier metal a ojo.

¿Ah, sí? ¿Entonces qué es esto?

Eeeeh… Pues… Claramente…

Es iridio, voz cursiva, IRIDIO.

Antes de empezar, como ha comentado Pepe, los metales se pueden unir con otros elementos químicos que no son metálicos para dar lugar a algunas sustancias coloridas. Por ejemplo, tres átomos de plomo se pueden combinar con cuatro átomos de oxígeno para producir una sustancia roja llamada tetraóxido de plomo (Pb3O4), aunque los átomos de plomo también pueden formar un compuesto amarillo cuando se unen con uno de cromo y cuatro de oxígeno, generando cromato de plomo (II) (PbCrO4).
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¿Por qué el agua se evapora aunque no hierva?

Tras un mes de inactividad virtual absoluta, la primera fase del proyecto súpersecreto en el que estaba trabajando está terminada y vuelvo a tener tiempo para el blog (que ya tenía ganas).  Para retomar el ritmo perdido, responderé a una cuestión que me habéis planteado por e-mail (a jordipereyra@cienciadesofa.com) de dos maneras:

1) ¿Cómo se produce exactamente el vapor que forma las nubes, si el agua de los océanos y los lagos no está hirviendo?

2) ¿Por qué los charcos (o el suelo fregado) se secan, incluso aunque haga frío? 

Antes de empezar, cuelo una foto de unas nubes curiosas para que la cabecera de la entrada quede bonita en la página principal:

(Fuente)

Mira, no hace falta que te molestes en escribir la entrada. La respuesta a estas preguntas es obvia: el agua se evapora.

Bueno, ya, voz cursiva, pero los lectores que me han enviado la pregunta no quieren una respuesta tan genérica, sino saber qué mecanismo permite que el agua se evapore sin que haya alcanzado su temperatura de ebullición, así que empecemos por recordar qué es la temperatura.
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Respuestas (LXX): ¿Existe la antigravedad?

Ya he vuelto oficialmente a mi hogar de internet y hoy he querido hablar sobre otro tema que me sugirió un lector vía jordipereyra@cienciadesofa.com.

Resulta que alguien que supuestamente se llama Alan Harris estuvo leyendo información en internet sobre el desarrollo de una supuesta tecnología antigravitatoria y me quiso preguntar dos cosas: si la antigravedad es un fenómeno real y, de ser así, si estamos remotamente cerca de conseguir aprovechar su potencial.

Tengo malas noticias para ti, Alan Harris.

Antes de empezar a hablar sobre los avances en el campo de la antigravedad, aclaremos qué NO es la antigravedad: no es lo que permite a los astronautas “flotar” en el espacio (como comentaba en esta entrada) ni tiene nada que ver con el magnetismo que mantiene la peonza del siguiente vídeo suspendida en el aire:

En estos casos, los objetos involucrados no están experimentando ninguna “fuerza antigravitatoria. Los dos parecen inmunes al efecto de la gravedad a causa de fenómenos completamente distintos (la velocidad y el magnetismo) que contrarrestan la magnitud de la atracción gravitatoria que tira de ellos hacia abajo. Quería matizar este detalle porque hay empresas que utilizan el término “antigravedad” muy a la ligera con tal de hacer atractivos en sus productos.

¿Entonces no puedo referirme a mis torneados gemelos como “generadores de impulsos antigravitatorios de corta duración”?

Mientras no intentes vender tus piernas en eBay no te voy a poner ninguna pega, voz cursiva.

Pero, bueno, para entender el fenómeno de la antigravedad, hagamos primero un breve repaso sobre la naturaleza de la gravedad.

Como había comentado en otros artículos en los que hablaba sobre la teoría de la relatividad (por ejemplo, este sobre la película Interstellar), la gravedad no es una fuerza, aunque casi siempre nos referimos a ella como tal.
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¿Es posible que existan galaxias hechas de antimateria?

En este blog he tratado varias veces el tema de la antimateria, como en esta entrada en la que explicaba qué es, en esta otra donde hablaba de los materiales más caros y esta otra en la que mencionaba cuáles son los materiales más mortíferos. Como podréis comprobar si leéis los artículos (guiño, guiño), la antimateria es un material bastante extremo y, por tanto, interesante.

En resumidas cuentas, la antimateria es la versión de la materia ordinaria que tiene propiedades opuestas.

Por ejemplo, los protones que contienen los núcleos de los átomos que componen nuestro cuerpo tienen carga positiva, pero los anti-protones tienen carga negativa. Los electrones tienen carga negativa pero su versión en antimateria, los positrones, tienen carga positiva. También hay antineutrones que, pese a que no tienen carga eléctrica, difieren de los neutrones ordinarios porque su número bariónico es -1 en lugar de +1 (lo sé, lo sé, tengo pendiente hablar de partículas subatómicas).

O sea, que un átomo de antimateria tendría esta pinta:

Y… Bueno, no hay muchas más diferencias. Aunque pueda parecer extraño para un material que parece sacado de una novela de ciencia-ficción, la antimateria en sí no tiene ninguna otra propiedad emocionante. Como explico en mi libro “El universo en una taza de café” (disponible en España y México en librerías y a través de internet, tanto en formato físico como electrónico, guiño, guiño), en su día se pensó que la antimateria podía poseer propiedades antigravitatorias y que tal vez formaba parte de la cola de los cometas. Por supuesto, hoy sabemos que no es así.
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¿Giran todas las galaxias en el mismo sentido?

Mike, de la Agrupación Astronómica de Ibiza (aquí su Facebook, que recomiendo seguir por su labor divulgativa), me preguntó hace poco si las galaxias giran todas en el mismo sentido. Aunque parezca mentira, la respuesta a esta pregunta, tan inocente a primera vista, nos puede proporcionar información muy interesante sobre el origen del universo. Más concretamente, saber si la mayoría de las galaxias gira en una dirección concreta nos permitiría deducir si el universo está rotando o no.

Xro k m dise d k l huniberso sta rotando lokoh? k tas fumao jaja

Quédate conmigo hasta el final de la entrada y lo descubrirás, voz cursiva. Empecemos hablando del momento angular.

El momento angular es una magnitud que nos dice la “cantidad” de movimiento rotacional de un objeto o un sistema que… Bueno, que está girando sobre su propio eje o en el que hay algo dando vueltas alrededor de otra cosa. Esta cantidad depende de la velocidad de los objetos implicados y de cómo está distribuida su masa alrededor del eje de rotación (su inercia, que trataré en un momento). Cuanto más rápida y masiva sea una cosa y más lejos se encuentre del eje de rotación, más momento angular tendrá. O poseerá una mayor “cantidad de movimiento rotacional“, que es una expresión más fácil de entender.

E, igual que la energía ni se crea ni se destruye, el momento angular de un sistema se conserva con el tiempo.

A vuestro paso por las clases de física del instituto habréis escuchado/visto unas doscientas mil veces el ejemplo de la patinadora sobre hielo que da vueltas a una velocidad concreta con los brazos estirados y que, en el momento en que acerca los brazos hacia su cuerpo, sin necesidad de hacer ningún otro esfuerzo por su parte, empieza a girar más deprisa.

En este vídeo podréis apreciarlo mucho mejor, si hasta ahora sólo habíais visto este fenómeno en diagramas:

El principal causante de este efecto es la inercia, que viene del latín “inertis“, “falta de vida o de reacción“. Esta propiedad es el equivalente a la “resistencia” que ofrece un objeto al movimiento y depende de su forma y su masa.
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¿Qué aspecto tiene un átomo? (3/3) (Parte 1)

Por fin os traigo la (primera parte de la) última entrega de la serie de vídeos que empecé en diciembre “¿Qué aspecto tiene un átomo?“. Grabando este último vídeo me he dado cuenta de que la cosa se estaba alargando mucho, así que he preferido separarlo en dos para hacerlo más llevadero (tanto para vosotros como para mi portátil).

En el capítulo de hoy hablaré del estudio de la luz y cómo empezó a influir en los modelos atómicos… Y servirá de introducción para el último vídeo (que intentaré tener terminado para el día 28, como tarde), en el que tocará tratar la mecánica cuántica.

Os dejo con mi versión miniaturizada bidimensional.

¿Qué pasaría si la Tierra fuera plana? (2ª Parte)

Es posible que estas últimas semanas os hayáis topado con la “polémica” absurda del rapero que dice que la Tierra es plana y la respuesta del astrofísico Neil DeGrasse Tyson. Además, hace poco colgué este vídeo en el que enseñaba cómo podéis ver la puesta de sol dos veces y cómo este hecho demuestra que la Tierra no es plana. Así que, aprovechando el tirón de la Tierra plana, he pensado que ya va siendo hora de escribir la continuación de la primera parte de una entrada que escribí el 18 de febrero del año pasado llamada “¿qué pasaría si la Tierra fuera plana? (1ª Parte)”.

En resumidas cuentas, en esa entrada hablaba sobre cómo notaríamos la gravedad producida por un planeta plano y por qué, en realidad, la fuerza de la gravedad obliga a los planetas a adoptar formas esféricas (o, como mínimo, de patata). En esta segunda parte hablaré sobre qué pinta tendría la superficie de un planeta plano a grandes rasgos. Por ejemplo, ¿qué pasaría con los océanos?

Bueno, pues que se derramarían por los bordes, obviamente.

Pues, no. Curiosamente, ocurriría lo contrario.

Esto no le pasaría nunca a nadie, ni en una Tierra esférica ni en una plana. (Fuente)

Como habíamos visto en la primera parte, caminar desde el centro de la Tierra plana hacia uno de sus extremos sería como intentar escalar una pendiente cada vez más empinada, aunque el terreno sobre el que nos moviéramos fuera completamente horizontal. Y esto se debe a que cada vez tendríamos más masa por detrás de nosotros, así que la fuerza gravitatoria no sólo tiraría de nuestro cuerpo en un ángulo cada vez más cerrado, sino que lo haría con una fuerza cada vez mayor.

Por eso, si pusiéramos una pelota cerca del borde de la Tierra plana, entonces ésta empezaría a rodar hacia el interior del disco hasta llegar a la zona central… Aunque su superficie fuera completamente lisa y horizontal. Una vez allí, rodeada por la misma cantidad de material en todas las direcciones, no sería estirada en ninguna dirección más que en otra y terminaría por quedar en reposo.

Y, como podéis imaginar, lo mismo pasaría con el agua, que tiende a fluir hacia la posición donde tiene la menor energía potencial.

La energía potencial gravitatoria de un objeto depende de su masa, de la altura a la que se encuentre y de la intensidad del campo gravitatorio a la que esté sometido. En nuestra Tierra esférica, con un campo gravitatorio que es prácticamente constante por toda su superficie, las cosas que se encuentran a una altura mayor tienen una mayor energía potencial y, si no tienen nada sobre lo que apoyarse, caerán hacia lugares donde su energía potencial sea menor. En cambio, sobre la superficie de un planeta completamente plano, aunque un objeto se encontrara siempre sobre la superficie y, por tanto, siempre a la misma altura, la intensidad del campo gravitatorio es mayor en las zonas cercanas al borde del disco y mínima en su centro. Así que todo tenderá a moverse hacia el centro del disco, donde la energía potencial de un objeto será menor… Incluidos los fluidos como el agua o el aire.

O sea que, en un planeta plano, lejos de derramarse por los bordes, toda el agua fluiría hacia el centro del disco, acumulándose allí y formando un “océano” con forma lenticular alrededor de la zona central.

Los habitantes de este planeta plano verían un escenario curioso, desde luego, porque desde cualquier punto del planeta se podría ver el gigantesco bulto de agua asomando en la lejanía… Bueno, asumiendo que no hubiera aire entre sus ojos y el “océano”, claro.

Para que sobre la superficie del planeta plano hubiera habitantes, primero debería existir con una atmósfera. Pero, pese a que no existiría un horizonte propiamente dicho en el mundo plano, el campo de visión de sus habitantes estaría limitado a unos 296 kilómetros porque el aire no es completamente transparente. Así que, por desgracia, el océano lenticular no se podría ver desde cualquier rincón de la Tierra plana.

Al tratarse de un fluido, la atmósfera estaría distribuida de la misma manera que el agua, aunque formaría una “cúpula” más grande debido a su mayor volumen. Probablemente, la densidad del aire sería máxima alrededor del centro del disco y disminuiría en las zonas más cercanas a los bordes.

Por supuesto, en los dos casos la altura y la extensión de las cúpulas de agua o aire dependerán tanto del grosor de la Tierra plana como de la cantidad de agua o aire que haya sobre ella. Pero, eso sí, para que el agua se desparramara más allá de los bordes del disco como en la imagen del principio, habría que añadir suficiente agua sobre la Tierra plana como para que el océano cubriera toda la superficie por completo. O sea, que el planeta entero tendría que estar cubierto por una gigantesca cúpula de agua antes de que ésta empezara a desbordarse hacia los bordes. Curiosamente, lejos de formar una catarata que se vaciara en el espacio, seguramente el agua quedaría retenida sobre el canto del disco hasta cierto punto, donde la gravedad tira de las cosas hacia la superficie del canto, como explicaba en la primera parte. Una vez cruzara el disco, el agua empezaría a caer en la otra cara del planeta plano y a fluir hasta su centro, formando otra cúpula de agua gigantesca.

Las montañas también se comportarían de manera distinta en un planeta plano. En nuestra Tierra redonda, la gravedad tira de todo hacia abajo de manera perpendicular al suelo, así que un montón de materia cualquier no tiene ningún lado preferido hacia el que caer y, con el tiempo, las montañas tienden a adoptar perfiles más o menos simétricos, con laderas parecidas en todos sus lados.

Podéis hacer un experimento vosotros mismos para simular este efecto: coged un puñado de sal y dejadla caer sobre una superficie plana. Os quedará un montículo de este estilo:

Pero, en un planeta plano, la gravedad tira de las cosas que están sobre su superficie en ángulo. Y no sólo eso, sino que el ángulo es mayor cuanto más te alejas del centro. Podéis comprobar vosotros mismos las consecuencias que esto tendría para las montañas haciendo montones de sal sobre superficies con distintas inclinaciones. Al fin y al cabo, un planeta plano donde la gravedad actúa en ángulo y una superficie inclinada donde la gravedad tira hacia abajo son dos situaciones equivalentes.

Haciendo este experimento con sal y una libreta (y luego poniendo la libreta horizontal de nuevo), podéis ver cómo iría cambiando la forma de las montañas cuanto más cerca se encontraran del borde de un planeta plano.

Bueno, en las zonas más cercanas de los bordes directamente no podrían existir montañas, ya que allí la dirección de la gravedad es casi paralela al suelo. Ya veréis que, si inclináis vuestra superficie lo suficiente, entonces la sal simplemente se desparrama y resbala hasta el suelo (o el escritorio lleno de cosas, si os ha pasado a mí, que es más molesto de limpiar).

Y, como podéis imaginar, los edificios también sufrirían las consecuencias de la fuerza gravitatoria inclinada. Los edificios aguantan muy bien los esfuerzos de compresión que resultan de que actúe sobre ellos una fuerza gravitatoria en vertical, pero que no manejan tan bien los esfuerzos tangenciales.

O sea que, si queremos montar una inmobiliaria en un planeta plano, sólo nos quedan dos opciones:

Y creo que hasta aquí llega lo que que puedo afirmar con cierta seguridad sobre los efectos de la gravedad de un planeta plano “sobre la vida diaria”. Si se os ocurren otros fenómenos interesantes que creéis que ocurrirían en un mundo plano (como el clima), no dudéis en dejar vuestras ideas en los comentarios. Quién sabe, tal vez al final reunamos suficientes ideas para una tercera parte. Aunque no prometeré ninguna fecha, por si acaso.

Bonus track: como ha mencionado Petyr Andreu Baelish en los comentarios, los defensores de la teoría de la Tierra plana solucionan el problema de que la gravedad no hace que aparezca una gigantesca burbuja de aire en el centro del planeta diciendo que la Tierra está acelerando constantemente hacia arriba a 9,8 metros por segundo cada segundo, lo que crearía una “falsa gravedad” en dirección vertical idéntica a la que notamos.

Esto no tiene ningún sentido porque, suponiendo que partiéramos de una Tierra plana en reposo, tardaría sólo 354 días en alcanzar la velocidad de la luz… Algo que obviamente no ocurre, porque entonces estaríamos muertos.

Ningún objeto con masa puede alcanzar la velocidad de la luz. Y, aunque la Tierra se desplazara a esa velocidad en algún mundo fantasioso donde nada es imposible, cualquier trocito de polvo espacial que se encontrara en nuestro camino impactaría contra el planeta con una energía tremenda. Si el impacto de un micrometeoroide que se mueve a “sólo” unos pocos kilómetros por segundo puede llegar a hacer esto en el fuselaje de una nave espacial, imaginad qué haría estrellándose contra la Tierra a casi 300.000 km/s. De la misma manera, los átomos de hidrógeno que hay sueltos por el espacio lloverían sobre la superficie de la Tierra de manera constante en forma de mortífera radiación altamente energética.

Y eso por no decir que esta excusa no explica por qué otros planetas, como Júpiter, tienen satélites dando vueltas a su alrededor.

 

¡Pero no os vayáis, que aquí llega vuestra parte preferida de la entrada!

National Geographic dice que si eres fan de Ciencia de Sofá y te gustaría suscribirte a la revista durante un año a un precio irrisorio (23,88€) y encima recibir varios regalos sólo por ser tú, puedes hacer click sobre la siguiente imagen que te llevará a la entrada donde te explico la oferta con más detalle.

Respuestas (XLVII): ¿Cuál es el material más letal conocido, en términos de masa?

Rubén García-Valcárcel me planteó por correo electrónico (jordipereyra@cienciadesofa.com) el tipo de pregunta que más me gusta responder: algo que nunca me había planteado y que me resulta desconcertante a primera vista. ¿Cual es la cantidad mínima de materia necesaria para matar a un ser humano?

Quería aclarar que me ha parecido otra manera de enfocar la pregunta “¿cual es el material más mortífero?” y he preferido poner eso como título, ya que el objetivo de la entrada es hablar un poco de las peculiaridades de las sustancias que trataré y su efecto sobre el cuerpo humano, no de la idea de matar.

La cuestión es que, en el e-mail, Rubén también especifica que la forma en la que se encuentre la sustancia y el mecanismo a través del cual conduzca a la muerte son indiferentes. Puede ser un compuesto venenoso, un explosivo o cualquier cosa que se me ocurra, lo único que importa es que se trate de la menor cantidad de material posible.

Si las reglas han quedado claras, podemos empezar por los venenos.

Cualquier sustancia puede matarnos si nos exponemos a ella en cantidades suficientes. De hecho, la mayoría de cosas que nos metemos en el cuerpo en nuestro día a día son potencialmente letales en este sentido. Paracelso ya lo transmitió en el siglo XVI: “Todo es veneno, nada es sin veneno. Sólo la dosis hace el veneno“.

Para evaluar la toxicidad de compuesto químico se utiliza la dosis letal mediana (DL50), que es la masa de una sustancia que provoca la muerte al 50% de los sujetos expuestos a ella. Por ejemplo, el agua, la misma sustancia que nos mantiene vivos (aclaración innecesaria), es tóxica en grandes cantidades: su DL50 es de alrededor de 90 ml/kg, o 90 mililitros de agua  ingerida por cada kilogramo de masa corporal de la persona que la toma. Esto significa que alguien que pese 83 kilos, como el autor de Ciencia de Sofá, tendrá un 50% de probabilidades de morir si bebe 7,5 litros de agua en poco tiempo.

¿Pero qué dices? ¿Cómo va a matarte el agua?

Pues sí, voz cursiva, deshidratarte no es agradable, pero tampoco lo es hidratarte en exceso porque las células se hinchan a medida que absorben el agua que al cuerpo no le da tiempo a excretar a través de la orina. Las células del cerebro son especialmente vulnerables a este efecto porque, a medida que el cerebro se hincha mientras absorbe agua, puede llegar a ejercer suficiente presión contra las paredes del cráneo como para provocar daños cerebrales y la muerte.

Pero, bueno, 7,2 litros de agua es una cantidad enorme de materia. Hay otras cosas a nuestro alrededor que nos matarán en dosis menores, como por ejemplo el azúcar. Con una DL50 de unos 29,7 g/kg, me tendría que tomar casi 2,46 kilos de azúcar antes de tener un 50% de probabilidades de la gula me matara (eso son 4,1 kilos de Nutella, por si os lo preguntabais).
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¿Por qué es importante la detección de ondas gravitacionales? Actualización: ¡detección confirmada!

Actualización [11/02/2016]: los responsables del LIGO acaban de confirmar en una rueda de prensa que se ha confirmado la detección de ondas gravitacionales. ¡Tenedlo en cuenta mientras seguís leyendo este artículo, escrito antes de conocer los resultados!

A menos que viváis en una piña debajo del mar, esta semana habréis visto titulares por todos lados anunciando que se han detectado ondas gravitacionales con el Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

No, si ya lo he visto, ya. ¿Por qué se empeñan en insistir tanto en noticias que no me importan lo más mínimo?

Pero bueno, voz cursiva, no sales en una entrada y a la siguiente vuelves con la actitud del ácido sulfúrico. Dame un momento para que te explique la importancia de este descubrimiento y te prometo que lo vas a ver con otros ojos.

Venga, va, te doy unos cinco minutos, que hoy llevo mucho lío mirando fotos de gatos por internet.

En primer lugar, parece ser que estas noticias están basadas en un tweet del astrofísico Lawrence Krauss en el que decía que le habían confirmado unos rumores sobre la detección de ondas gravitacionales en el LIGO, pero la propia institución no ha confirmado nada al respecto porque aún necesitan comprobar muchos datos y aún no pueden decir si las han detectado realmente o no. Al parecer, Krauss sólo quería emocionar un poco al público porque, si al final resulta que los resultados eran correctos, más gente sabrá de qué va el tema y más alcance tendrá el anuncio.

Total que, aunque de momento no se ha confirmado, esta noticia podría ser una realidad en un futuro cercano.

Está bien, entonces replanteo mi pregunta: ¿por qué deberá importarme el descubrimiento de las ondas gravitacionales en un futuro cercano?

Muy buena pregunta.

En este artículo que publiqué hace poco hablaba sobre la velocidad a la que se transmite la gravedad y explicaba que, en realidad, la gravedad no es una fuerza que aparece de manera instantánea entre dos cuerpos, como Newton había postulado, sino la una deformación producida por cualquier masa sobre el propio tejido del espacio-tiempo, en el que está contenida toda la materia del universo… O, al menos, eso es lo que predice la teoría de la relatividad de Einstein.

El espacio-tiempo suele representarse como una lámina plana deformada como en la imagen de la izquierda, aunque el fenómeno real sería más parecido a la imagen de la derecha, porque el espacio es tridimensional.

Según la teoría de la relatividad, la deformación del espacio-tiempo provocada por un cuerpo muy masivo debería poder desviar los rayos de luz, algo que una fuerza gravitatoria no podría hacer, porque la luz no tiene masa. Y eso es, precisamente, lo que se observó durante un eclipse en 1919 en el que la posición de las estrellas que rodean el sol cambiaba ligeramente, lo que es una señal de que la teoría de Einstein es una interpretación más precisa de la naturaleza de la gravedad. Explicaba este descubrimiento con más detalle en esta otra entrada sobre la teoría de la relatividad especial y la película Interstellar.

La cuestión es que la teoría de la relatividad de Einstein también predice que, igual que un barco crea olas a su paso mientras navega por el mar, un cuerpo muy masivo que se mueva a través del espacio debería hacer que el tejido espacio-tiempo ondule a su alrededor, generando “ondas gravitacionales. Pero la existencia de estas ondas aún no se ha podido demostrar así que, de llegar a confirmarse su detección, ya no cabría duda de que la teoría de Einstein describe el universo correctamente o, al menos, de que vamos bien encaminados en nuestro periplo por descubrir la naturaleza de la realidad.

Este descubrimiento no sólo nos ayudaría a entender mejor el universo, sino también a mejorar la teoría de la relatividad y hacerla aún más precisa. Pero, además, si aprendemos a detectar y medir ondas gravitacionales tendremos a nuestra disposición una herramienta que nos permitirá estudiar fenómenos que hasta ahora no hemos podido observar directamente.

Me explico.

Para estudiar el universo, analizamos los distintos tipos de luz que llegan hasta la Tierra desde todos los cuerpos que nos rodean (estrellas, planetas, asteroides, nebulosas…) y eso nos permite deducir un montón de cosas de ellos: su distancia, su composición química, su velocidad, si hay planetas dando vueltas a su alrededor en el caso de las estrellas…

Un momento, has dicho “distintos tipos de luz”. ¿De qué estás hablando exactamente?

Ah, bueno, claro, es que la luz visible representa una fracción diminuta de un fenómeno mucho más amplio. En realidad la luz es una forma de radiación electromagnética, un tipo de ondas formadas por un campo eléctrico y uno magnético que oscilan y, dependiendo de la frecuencia de estas oscilaciones, la radiación resultante puede tener unas propiedades muy distintas. Esto lo comentaba con más detalle en esta otra entrada pero, en resumen, existen un montón de “tipos de luz” que nuestros ojos no pueden detectar.

Por ejemplo, el ojo humano puede detectar la radiación electromagnética que realiza estas oscilaciones en espacios de entre 380 y 800 nanómetros (mil millonésimas de metro). Este parámetro es la llamada longitud de onda y nuestros ojos traducen las longitudes de onda mayores como colores más rojizos y las menores como tonos más azulados y violetas. Entre estos límites se encuentran el resto de longitudes de onda que corresponden a los otros colores que somos capaces de distinguir.

Nuestros ojos no pueden detectar la luz que está fuera de estos intervalos. La luz tiene una longitud de onda mayor a 800 nanómetros es la radiación infrarroja, llamada así porque se trata de las longitudes de onda que se encuentran más allá del color rojo en el espectro electromagnético. Lo mismo pasa con las longitudes de onda menores que la del color violeta, la radiación ultravioleta.

O sea, que nuestros ojos son incapaces de detectar una cantidad inmensa de la información que nos rodea, lo que está muy bien para sobrevivir en la naturaleza, pero no basta para estudiarla. Por suerte, podemos detectar todas estas longitudes de onda invisibles utilizando cámaras son capaces de detectarlas y traducirlas a colores somos capaces de observar.

Imagen infrarroja de una serpiente enrollada alrededor del brazo de un humano. (Fuente)

Y esto es estupendo, porque cada tipo de radiación electromagnética nos puede ofrecer mucha información sobre el objeto que la está emitiendo.

Por ejemplo, cuanto más caliente se encuentra un cuerpo, más energética será le energía que emite, lo que se traduce en la emisión de una radiación con una longitud de onda menor. Por ejemplo, el cuerpo humano brilla constantemente… Pero no en luz visible, sino en luz infrarroja. Si aumentas lo suficiente la temperatura de un objeto, empezará a emitir un brillo rojizo cuando alcance unos cientos de grados. A una temperatura aún mayor, el color del objeto se volverá cada vez más azulado y emitirá gran parte de su energía en forma de radiación electromagnética más energética, como luz ultravioleta o rayos X.

Por tanto, analizando qué tipo de energía electromagnética emite un cuerpo celeste, podemos conocer su temperatura y deducir si se trata de una débil estrella enana roja, una gigante azul muy caliente o una estrella de neutrones rodeada de una nube de material a un millón de grados de temperatura, tan caliente que tan sólo emite rayos X.

Además, como los distintos tipos de radiación electromagnética se comportan de manera distinta al interaccionar con la materia, ciertas longitudes de onda nos permiten observar unos fenómenos que otras no nos dejan. Por ejemplo, la luz visible emitida por una estrella que se encuentre detrás de una nebulosa será incapaz de atravesar el gas y el polvo que la componen, así que quedará tapada por completo de nuestra vista. Pero la radiación infrarroja emitida por esa estrella sí que es capaz de atravesar las nubes de gas interestelar, así que si miramos en esa misma dirección con un detector infrarrojo, la nebulosa se vuelve transparente y podemos ver y estudiar esa estrella sin problemas.

Dos imágenes de la nebulosa Carina, tomadas en luz visible e infrarroja. (Fuente)

Vaya, menuda herramienta más útil para estudiar el cielo es esto de las distintas longitudes de onda.

Sí, la verdad es que sí. Pero, aún así, hay cosas que de las que no vamos a poder obtener información mediante ningún tipo de radiación electromagnética.

Un buen ejemplo son los agujeros negros, que no dejan escapar ningún tipo de radiación electromagnética desde su interior porque la singularidad que contienen en su centro está rodeada por una región en la que el espacio-tiempo está tan curvado que ni siquiera la radiación electromagnética, ya sea luz o la correspondiente a cualquier otra longitud de onda, puede escapar. Esta región está delimitada por el llamado horizonte de sucesos y, si queréis saber más sobre agujeros negros, hablaba sobre ellos en esta entrada, esta otra y esta otra.

O sea que, sin radiación electromagnética que provenga de su interior, no tenemos manera de saber qué ocurre tras el horizonte de sucesos de un agujero negro.

Y aquí es donde entraría el descubrimiento de las ondas gravitacionales.

La gran masa concentrada en puntos diminutos de los agujeros negros generará grandes distorsiones en el tejido del espacio-tiempo que las rodea a medida que se mueven a través de él, igual que el paso de un transatlántico producirá olas mucho mayores que el de una lancha. Y estas ondas sí que saldrían del horizonte de sucesos y podrían propagarse por el universo como olas, igual que cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Por tanto, si conseguimos detectar las ondas gravitacionales, estas ondulaciones del tejido del espacio-tiempo, podríamos obtener información sobre los agujeros negros que es imposible deducir mediante su observación a través de la radiación electromagnética.

Uala, eso es bastante radical.

Pues agárrate bien los pantalones y túmbate en el suelo, voz cursiva, porque las ondas gravitacionales también podrían ofrecernos información sobre el propio origen del universo.

¿Qué me dices?

Como lo oyes.

Muchos habréis oído que, en realidad, mirar el cielo es como remontarse al pasado. Y es verdad: como la velocidad de la luz es finita, de unos 300.000 kilómetros por segundo, tarda un tiempo en recorrer las distancias que lo separan todo en el universo y que son tan abrumadores que este tiempo pueden ser miles, millones o incluso miles de millones de años. De ahí el término “año luz” para referirse a las distancias espaciales: un año luz equivale a la distancia recorrida por la luz en un año, que son unos 10 billones de kilómetros.

A su vez, el año luz también te dice con cuánto retraso estás viendo ese objeto: la estrella más cerca a la Tierra, Alfa Centauri, se encuentra a 4 años luz de distancia, lo que significa que la observamos tal y como era hace 4 años. Cuanto más lejos esté el objeto, más nos estaremos remontando en el pasado al mirarlo. La galaxia Andrómeda, por ejemplo, a 2 millones de años luz de distancia, la vemos tal y como era hace 2 millones de años.

La galaxia más lejana que se ha observado se encuentra a 13.100 millones de años luz. O sea, que teniendo en cuenta que el universo lleva existiendo unos 13.800 millones de años, hoy en día vemos cómo era esa galaxia 700 millones de años después del Big Bang, lo que nos permite estudiar cómo era el universo “poco” después de su formación.

Pero aquí viene un giro conceptual que responderá a muchas preguntas que me habéis hecho por e-mail (jordipereyra@cienciadesofa.com) sobre el tamaño del universo.

Los objetos tan lejanos como esta galaxia no se encuentran realmente a esas distancias. Esta galaxia que he mencionado no está a 13.100 años luz de la Tierra a día de hoy, sino mucho más lejos, porque durante el tiempo que la luz ha tardado en llegar hasta nosotros, la galaxia se ha estado alejando cada vez más deprisa, alcanzando casi 292.000 kilómetros por segundo en la imagen de ella que vemos en la actualidad, lo que equivale a un 97% de la velocidad de la luz.

Espera, esto me suena un poco raro. Creía que ningún objeto con masa podía acercarse demasiado a la velocidad de la luz porque acelerarlo hasta esas velocidades consumía un montón de energía. ¿Cómo puedes acelerar una galaxia entera a esa velocidad?

Sí, es un concepto un poco raro si te pilla por primera vez. Lo que pasa es que se ha observado que, cuanto más lejos se encuentran dos puntos en el universo, mayor es la velocidad a la que se alejan entre sí Hasta el punto de que se pueden separar incluso a velocidades superiores a las de la luz.

Pese a que lo que mucha gente piensa, que el Big Bang no fue una especie de explosión que lanzó materia volando por los aires en todas direcciones. En realidad, el Big Bang (del que hablaba en esta entrada) fue un proceso de expansión en el que el propio espacio empezó a expandirse rápidamente (y sigue haciéndolo), arrastrando con él toda la materia que contiene. Como no hay ninguna ley física que impida que el propio espacio expanda a la velocidad de la luz, dos galaxias pueden estar alejándose entre sí a velocidades superiores a las de la luz, arrastradas por el tejido del espacio se expande entre ellas.

Se puede entender mejor la situación imaginando que nos arrastra un río: aunque sólo fuéramos capaces de nadar a 1 km/h, por poner una cifra, la corriente nos podría arrastrar a una velocidad mucho mayor de la que somos capaces de alcanzar por nuestros propios medios.

El hecho de que las galaxias muy lejanas se puedan alejar de nosotros a velocidades superiores a las de la luz también delimita el tamaño del universo observable: como mucho, podremos observar regiones del espacio que se estén alejando de nosotros a una velocidad menor a la de la luz y no podemos detectar la luz emitida desde zonas que se alejan a velocidades superiores a las de la luz, porque el espacio que hay entre nosotros se expande más rápido de lo que la luz puede recorrerlo.

Este es el motivo por el que, pese a que el universo tiene tan sólo 13.700 millones de años de edad, el diámetro del universo observable es de 93.000 millones de años luz. Pero, repito, esto no significa que en este momento podamos ver la luz de los objetos que se encuentran a 70.000 millones de años luz, por decir algo, sino que somos capaces de distinguir la luz que emitieron hace mucho tiempo, cuando aún no estaban tan lejos.

El caso es que nos podemos remontar en el pasado y estudiar la historia del universo encontrando objetos cada vez más lejanos, pero nos encontramos con un problema muy gordo que nos impide remontarnos a épocas anteriores a 300.000 años después de la formación del universo: desde el momento en el que se formó hasta entonces, las condiciones extremas del universo primigenio impedían que cualquier forma de radiación electromagnética se moviera por el espacio sin interaccionar con ningún átomo, así que el universo fue opaco durante todo este tiempo. Por tanto, no tenemos a nuestra disposición ninguna fuente de luz que nos permita estudiar el universo “recién nacido”.

Pero las ondas gravitacionales provocadas por la materia en aquella época no se verían afectadas por la “opacidad” del universo, así que hoy en día podríamos seguir detectándolas y nos darían mucha información sobre el universo temprano que, hasta ahora, no teníamos manera de obtener.

Esto es todo lo que te puedo decir sobre las implicaciones que tiene en la astronomía el descubrimiento de las ondas gravitacionales, voz cursiva. ¿Se te ha pasado ya la mala leche?

¿Eh? Ah, perdona, me he puesto a ver vídeos de gatos y no te estaba escuchando.

No sé qué voy a hacer contigo.

En fin, hasta aquí la entrada de hoy. Como dato, quería comentar que este tema (y muchos más) lo trato también en el libro que publiqué en septimebre de 2015 con la Editorial Paidós en el que hablo sobre la historia de la astronomía y que ahora está disponible en librerías tanto en España como en México y a través de internet por todo el mundo.

Así que, si os apetece saber cómo hemos llegado a conocer todo lo que sabemos hoy en día sobre el universo, podéis hacer click sobre la siguiente imagen del libro, “El universo en una taza de café“, para ir a la entrada donde hablo del libro con más detalle: