DIEZ PATRONES QUE EXPLICAN EL UNIVERSO
Brian Clegg
Título original: Ten Patterns That Explain The Universe Edición Kate Shanahan, Kate Duffy Diseño Wayne Blades Ilustraciones Richard Palmer Documentación iconográfica Natalia Price-Cabrera Traducción Alfonso Rodríguez Arias Doctor Ingeniero Industrial
Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2022 © 2022 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.°, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. +34 93 205 40 00 e-mail: info@blume.net © 2021 UniPress Books Ltd., Londres I.S.B.N.: 978-84-19094-07-0 Depósito legal: B.20490-2021 Impreso en Eslovenia Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
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DIEZ PATRONES QUE EXPLICAN EL UNIVERSO
Brian Clegg
CONTENIDO
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INTRODUCCIÓN 1 LA RADIACIÓN DE FONDO DE MICROONDAS Patrones de la radiación que constituye el eco del Big Bang.
30
2 DIAGRAMAS DE MINKOWSKI Patrones que explican la conexión entre el espacio y el tiempo.
52
3 PATRONES DE RUTA DE PARTÍCULAS Patrones de partículas que revelan la antimateria y el bosón de Higgs.
74
4 DIAGRAMAS DE FEYNMAN Patrones diagramáticos que explican la interacción entre la luz y la materia.
94
5 LA TABLA PERIÓDICA Patrones tabulares que muestran la configuración de los átomos.
112
6 PATRONES DEL TIEMPO Patrones a gran escala subyacentes a los complejos sistemas del tiempo.
134
7 RECTAS NUMÉRICAS La recta numérica o recta real es un patrón que constituye la base de la aritmética y de muchos cálculos matemáticos.
154
8 CLADOGRAMAS Complejos diagramas que reflejan la relación entre las especies y los patrones de la evolución.
178
9 DOBLE HÉLICE DEL ADN El patrón de la vida que constituye el almacén de los datos para la construcción de un organismo vivo.
198
10 SIMETRÍAS Patrones que muestran la simetría en la naturaleza, las matemáticas y la física.
220 224
ÍNDICE AGRADECIMIENTOS
2 DIAGRAMAS DE MINKOWSKI
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Hermann Minkowski 1864-1909
PATRÓN ESPACIO-TIEMPO Albert Einstein transformó nuestra concepción de la realidad con la teoría de la relatividad especial, mostrando que el tiempo y el espacio no son independientes, sino parte de un todo vinculado que se conocería como espacio-tiempo. El antiguo profesor de matemáticas de Einstein en el Politécnico de Zúrich de Suiza, Hermann Minkowski, desarrolló un nuevo tipo de diagrama que muestra cómo el tiempo y el espacio están relacionados y son inseparables. Estos sencillos diagramas permiten que los extraños resultados de la relatividad se vean mucho más claros. Muestran, por ejemplo, cómo dos eventos aparentemente simultáneos no ocurrirán al mismo tiempo para los observadores en movimiento, e incluyen los conos de luz que Stephen Hawking utilizó para demostrar los efectos de los agujeros negros. Roger Penrose amplió los diagramas para abarcar todo un universo infinito.
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LA NATURALEZA DE LA LUZ La otra aportación a la relatividad especial provino del trabajo de uno de los héroes de Einstein, el físico victoriano escocés James Clerk Maxwell. Fue Maxwell quien descubrió la naturaleza de la luz: una interacción entre la electricidad y el magnetismo. La formación de la luz a partir de la interacción de campos eléctricos y magnéticos cambiantes solo podría ocurrir si la luz tuviera una velocidad específica para el medio por el que viaja. Ahora sabemos que la velocidad es exactamente 299 792 458 m/s en el vacío. (Podemos saberlo precisamente porque el metro se define como 1/299792458 de la distancia que la luz viaja a través del vacío en un segundo). La relatividad no puede influir sobre esta velocidad fija de la luz. Si fuera así, cada vez que nos moviéramos con respecto a un rayo de luz, esta desaparecería, ya que ya no estaría viajando a la única velocidad a la que puede existir. Entonces, a diferencia de cualquier otra cosa, acercarse o alejarse de un rayo de luz no tiene ningún efecto sobre la velocidad a la que la luz viaja hacia el observador. Cuando esta rareza de la luz se combina con las ecuaciones del movimiento basadas en la relatividad de Galileo, se presentan varios resultados sorprendentes. Muestra que cuando un objeto se mueve con relación al observador, verá que el tiempo se ralentiza en el objeto; se encogerá en la dirección en la que se mueve y aumentará en masa. Esto no parece una implicación obvia del movimiento relativo, pero podemos ver sin matemáticas cómo funciona el efecto del tiempo al considerar un dispositivo conocido como reloj de luz. Este es un reloj en el que el equivalente al péndulo de un reloj convencional es un rayo de luz que se mueve hacia arriba y hacia abajo entre un par de espejos. Cada «tic» de este reloj tiene lugar cuando la luz golpea uno de los espejos. Imaginemos que ponemos un reloj de este tipo en una nave espacial (véase ilustración de la página siguiente) y enviamos esa nave al espacio a gran velocidad. Para quien viaje en la nave, el reloj no se vería afectado por el movimiento. El rayo de luz continuaría rebotando hacia arriba y hacia abajo en línea recta. Este hecho fue predicho incluso por Galileo, quien demostró que dentro de un recipiente sellado en movimiento uniforme (sin vista al exterior) no había ningún experimento posible que demostrara que el recipiente se estaba moviendo.
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Miremos ahora la nave espacial desde la Tierra, comenzando desde el punto en el tiempo en el que el rayo de luz sale, por ejemplo, del espejo superior. A medida que la nave avanza, el rayo no viajaría verticalmente hacia abajo, sino en un ángulo de modo que golpeara el espejo inferior, que ahora se mueve con la nave, al final del recorrido del rayo de luz. La luz tendría que cubrir una distancia mayor que la que lo hace para alguien en la nave. Como la velocidad de la luz no puede alterarse, la única forma en que esto sería posible ocurriría si el tiempo pasara más lentamente en la nave, dando a la luz la posibilidad de llegar al segundo espejo.
Sin movimiento
Dirección del movimiento
Reloj de luz en una nave espacial En la nave espacial, la luz rebota en línea recta arriba y abajo, recorriendo la distancia entre los espejos. Pero vista desde la Tierra, la luz hace un recorrido más largo y se mueve en diagonal, ya que los espejos se mueven con la nave.
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LA RELATIVIDAD DE LA SIMULTANEIDAD Einstein describió una situación imaginaria en la que dos rayos caen simultáneamente en dos lugares diferentes sobre un tramo recto de una línea férrea. (Se trata de un experimento mental, una de las herramientas más utilizadas por Einstein para explorar la realidad). ¿Qué significa decir que estos sucesos son simultáneos? ¿Cómo podemos saber que este es el caso, ya que no podemos estar en ambos lugares a la vez para observar los rayos? Einstein imaginó a una observadora, llamémosla Lucía, convenientemente situada justo a mitad de camino entre los dos lugares. (Esta es la razón por la que este experimento solo puede ser mental, ya que nunca podría hacerse en la realidad, porque en el muy poco probable caso de que los dos rayos cayeran simultáneamente en el mismo tramo recto del ferrocarril, no sabríamos de antemano dónde lo harían, por lo que no sería posible colocar a Lucía en el medio). Situada en el punto medio exacto, Lucía podría mirar en ambas direcciones (o, de una manera más realista, podría tener detectores apuntando en ambas direcciones) y anotar la hora a la que la luz de los rayos llegaba a su ubicación.
TIEMPO
Lo que ve Lucía
Futuro Línea de universo de Lucía
ESPACIO TIEMPO
Lo que ve María
Futuro
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Línea de universo de María
g
Pasado
ESPACIO
Las dos observadoras La estacionaria Lucía ve que los dos destellos ocurren simultáneamente, pero María, que se mueve, ve que un destello sucede antes que el otro.
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Hemos partido de un supuesto: que no había obstáculos importantes en el camino de la luz. Esta viaja más lentamente en sustancias más densas, por lo que si la luz tuviera que pasar a través de vidrio en una dirección, pero no en la otra, llegaría un poco más tarde después de atravesarlo, a pesar de la simultaneidad de los dos sucesos. Pero aceptada esta suposición, Lucía diría, desde su punto de vista, que los eventos fueron simultáneos si la luz de ambos rayos llegara a su posición en el punto medio al mismo tiempo. Veamos ahora una pequeña variante del experimento, que fue la razón por la cual se realiza en una vía de tren (recta) en primer lugar. Imaginemos que una segunda observadora, María, con el mismo equipo detector, viaja en un tren de alta velocidad, que circula por las vías y, para mayor coincidencia, María se cruza con Lucía exactamente en el momento en que Lucía, situada junto a la vía, observa los eventos simultáneos. ¿Qué vería María desde su posición en el tren? Imaginemos que el tren se mueve de izquierda a derecha. La velocidad del tren no se suma ni se resta de la velocidad de la luz procedente de los rayos; es una propiedad intrínseca de la luz. Pero en el tiempo que tarda la luz en llegar al tren, María y sus detectores se habrán movido. Esto significa que la luz del rayo de la derecha llegará a los detectores de María antes que la luz del rayo de la izquierda. Para María, los eventos no son simultáneos. Puede ser difícil entender exactamente cómo funciona todo esto en la práctica, y aquí es donde entra en juego el patrón del diagrama de Minkowski. Podemos ver lo que sucede desde el punto de vista de los dos observadores. El diagrama (de la página anterior) hace que sea mucho más claro comprender cómo Lucía y María verán los mismos eventos de una manera diferente. El patrón de simultaneidad se rompe con el movimiento, uno de los resultados clave de la teoría especial de la relatividad. El diagrama de Minkowski fue ampliado en la década de 1960 por dos físicos, el inglés Roger Penrose y el australiano Brandon Carter. La modificación que introdujeron en la forma original implica un tipo de proyección. Pero antes de entrar en los detalles del diagrama de Penrose (o Penrose-Carter), necesitamos primero tener una idea de lo que implican las proyecciones matemáticas.
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R E L A T I V I D A D
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DIEZ PATRONES QUE EXPLICAN EL UNIVERSO Análisis de diez sistemas secuenciados que forman la estructura del mundo y proporcionan una visión única de su funcionamiento básico: desde diagramas que muestran las relaciones entre el espacio y el tiempo hasta los comportamientos cuánticos que rigen la interacción entre la materia y la luz. Se incluyen explicaciones sobre la radiación de fondo de microondas, los diagramas sobre la naturaleza entrelazada del espacio y el tiempo, los patrones de las rutas que siguen las partículas, los patrones que predicen el comportamiento cuántico, la tabla periódica que refleja el patrón subyacente en la configuración de los átomos, un análisis de la recta numérica o los usos descriptivos de los diagramas de árbol, entre muchas otras cosas.
«Brian Clegg es el maestro de la literatura científica accesible».
—Angela Saini, periodista científica y autora del libro El retorno del racismo científico
«Como autor, Brian Clegg tiene el don mágico de convertir principios sumamente complejos en conceptos sencillos y fáciles de entender». —Andy Heath, The Bookbag
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ISBN 978-84-19094-07-0
9 788419 094070