He participado en el episodio 347 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox, iTunes], titulado “Ep347: Especial Señales de los Oyentes», 23 dic 2021. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Recopilación de preguntas de los oyentes por varios contertulios habituales. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso. CB:SyR es una colaboración del Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife con el Área de Investigación y la UC3 del Instituto de Astrofísica de Canarias».

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Sergio Barreto pregunta: «Me encantaría que hablaran de cómo la tecnología del telescopio James Webb podría ayudar a precisar el parámetro de Hubble».

Contesta Héctor Vives-Arias @DarkSapiens: Explica qué es el parámetro de Hubble H(z) y cómo se usa la escalera de distancias para estimar su valor. El telescopio espacial infrarrojo James Webb (JWST) permitirá entender mejor la física de las cefeidas y de las supernovas Ia, mejorando nuestras estimaciones de sus distancias y con ellas la estimación de H(0). Además, podremos discernir entre los diferentes tipos de supernovas Ia y evitar sesgos sistemáticos en ellas. Y podremos alcanzar galaxias más lejanas estimando mejor cómo evoluciona H(z) conforme z crece.

Cristina Hernández pregunta: «¿No podían haber puesto motores de efecto Hall o iónicos, o algo así, al James Webb y alargar su vida con lo madura que es la tecnología o es cosa de contratos y empresas que sacan tajada? Es que es increíble tanto retraso y sobrecoste para luego durar tan poco. Parecería que está más al servicio de pillar dinero público que de dar servicio real a la ciencia y los científicos. Tal vez sea una falsa impresión».

Contesta Héctor Vives-Arias @DarkSapiens: Explica que el JWST orbitará alrededor del punto de Lagrange L2 entre la Tierra y el Sol. Cada tres semanas tendrá que ajustar su órbita usando motores que consumirán combustible (hidracina). Se usan motores químicos porque son los que tienen la respuesta más rápida; los otros tipos de motores necesitarían mucho tiempo para corregir la órbita y tendrían múltiples inconvenientes (como la necesidad de paneles solares mucho más grandes). El JWST está planificado para que dure entre 5.5 años y 10 años, por eso lleva combustible para 10 años; además, usa helio líquido como refrigerante en un circuito cerrado, por lo que debería durar más de 10 años (si no falla nada). Añado que he leído en Twitter que existe la posibilidad de recargar el combustible mediante una futura misión robótica, aún no financiada, ni planificada.

Jorge Monroy pregunta: «Sería bueno tratar el tema de la física atmosférica en la formación de halos solares». 

Contesta Francis Villatoro @emulenews: Explico que el origen de los halos solares es la refracción de la luz en cristales de hielo, que son prismas con sección hexagonal. Al mirar hacia el Sol, nos llega luz que atraviesa las caras planas de los cristales de hielo; entre por una cara (sea 1) y sale por la siguiente a la siguiente cara (sea 3), para que nos llegue su luz; al hacer los cálculos, el ángulo de salida se encuentre unos 20 grados y unos 40 grados, con un máximo a 22 grados. Hay otro máximo a unos 44 grados, pero mucho menos intenso (y por ello mucho más difícil de ver). La figura intenta aclarar la situación.

Joaquín Carbajo pregunta: «¿La energía oscura expande el universo por interacción con la materia bariónica o sólo afecta al tejido espacio tiempo?»

Contesta José Alberto Rubiño, @JARubinoM: Nos cuenta que la respuesta es la segunda, el mecanismo es puramente gravitatorio. La energía oscura se comporta como fluido con presión negativa que acelera expansión cósmica. No sabemos lo que es, pero todas las observaciones apuntan a que podría ser la constante cosmológica de Einstein.

Freddy Roberto Cortés Tucás pregunta: «A mí me gustaría que tocaran la teoría de la relatividad en forma más sencilla y que pueda entender un viejo y su nieto de 13 años que es quien me lo pregunta. Saludos desde Chile». 

Contesta Francis Villatoro @emulenews: Comento que es muy difícil hacerlo de forma breve y con un podcast. El punto clave de la teoría de la relatividad (que Einstein quiso llamar la teoría del invariante) es que la velocidad de la luz en el vacío es constante para todos los observadores, sin importar cómo se muevan. Esta idea se puede interpretar (Brian Greene lo cuenta muy bien en su libro «El tejido del cosmos», que te recomiendo) como que todo en el universo se «mueve» a la velocidad de la luz en el vacío en el espaciotiempo. Un objeto en reposo en un sistema de referencia se «mueve» a la velocidad de la luz en el vacío en su tiempo propio. Un objeto sin masa que se mueva a la velocidad de la luz en el vacío en el espacio se encuentra en «reposo en el tiempo» (el tiempo propio no transcurre para un fotón). Y, finalmente, un objeto que se mueva a cierta velocidad en el espacio tendrá un ritmo del paso del tiempo que será más lento, exactamente lo necesario para que su velocidad en el espaciotiempo sea la velocidad de la luz en el vacío. Si se entiende esta idea, se entiende toda la relatividad, que es una simple consecuencia de ella.

Marisa Cascajo pregunta: «¿Por qué todo gira?»

Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: La pregunta es más bien filosófica y da pie a hablar del momento angular. Todo gira si cuando se originó tenía momento angular. Y de paso, Héctor nos comenta los teoremas de la genial matemática Emmy Noether, que afirman que las leyes de conservación tienen su origen en simetrías del sistema físico; la simetría de traslación en el tiempo da origen a la conservación de la energía; la simetría de traslación en el espacio da origen a la conservación del momento lineal; y la simetría de rotaciones en el espacio da origen a la conservación del momento angular.

Tal para cual pregunta: «Cada vez que me cuentan que la gravedad curva el espaciotiempo y me ponen el ejemplo de la sábana o de la cama elástica me cortocircuito. ¿Acaso la Tierra, los planetas, las estrellas o la acumulación de materia que sea, está flotando por encima del espaciotiempo? ¿Por qué el espaciotiempo solo tiene dos dimensiones y el resto tres? A mí me lo tienen que explicar con una piscina (o algo con tres dimensiones) y la Tierra sumergida dentro. Igual estoy diciendo tonterías, pero tengo la sensación que ese símil acaba creando la misma confusión que los dibujos del sistema solar con todos los planetas apelotonados».

Contesta Francis Villatoro @emulenews: Así es, dicha analogía es pésima e incorrecta (a mí me desagrada especialmente). La gravitación es sobre todo curvatura en el tiempo, con una curvatura en espacio es mucho menor (en los libros de relatividad general se usar c=1 lo que hace que en apariencia sean iguales). El problema es que dibujar o representar la curvatura del tiempo es muy difícil, por ello se recurre a mostrar solamente la curvatura en espacio.

JoxePo Jxp pregunta: «Sobre el Big Bang, justo antes (si es que tiene sentido ese «antes») ¿existía ya el tiempo y estaba en «pausa» o no existía? Lo mismo para el espacio, ¿existía y estaba todo muy comprimido o no existía?

Contesta Francis Villatoro @emulenews: No lo sabemos. Solo podemos especular. Según la teoría del big bang inflacionario (la versión actual de la teoría), el bang ocurrió en el recalentamiento, la fase final de la inflación cósmica; entonces se excitó la materia y la radiación que rellena el universo; en aquella época ya existían el espacio y el tiempo que conocemos en nuestro universo. ¿Existían antes de la inflación cósmica? No lo sabemos, pero creemos que en cierto momento emergieron el espacio y el tiempo de nuestro universo «burbuja» de algún tipo de entidad física previa; no sabemos ni cómo surgieron ni a partir de qué. Una especulación popular es que había algún tipo de «falso vacío» en otro «espacio» y con otro «tiempo» (ambos desconectados causalmente del nuestro).

Cristina Hernández pregunta: «Si tenemos un falso vacío –ligado a la inflación [cósmica]– y es estirado con algo, el falso vacío ha de mantener una energía constante que es alimentada con aquello que lo estira. ¿Correcto? La pregunta es ¿esa cantidad de energía se distribuye por el falso vacío de forma instantánea o pasa de lo que lo estira al resto del falso vacío a la velocidad c –la velocidad de la luz en el vacio o de la gravedad– ¿tiene límite? En caso de no tener límite, [en] una situación así, ¿[ocurrirá] porque se estire como un todo?»

Contesta Francis Villatoro @emulenews: Creo que Cristina hace referencia a mi conferencia «El bang del Big Bang» en la IX Cita con las Estrellas 2021 (LCMF, 01 nov 2021); para mis comentarios sobre el falso vacío me basé en el libro de Alan Guth, «El universo inflacionario», Debate (1999). Guth explica que el falso vacío (como la energía oscura) tiene presión negativa y densidad de energía constante (como la constante cosmológica) usando un émbolo; al hacer más volumen con el émbolo aparece más falso vacío que se rellena con una densidad de energía constante obtenida a partir del movimiento del émbolo gracias a una fuerza de «succión» debida a la presión negativa. Por supuesto, el mecanismo no es instantáneo, no hay nada en la física (moderna) que sea instantáneo (en la física newtoniana pueden existir efectos instantáneos, pero son aproximaciones a la física de fenómenos que ocurren a gran velocidad, pero finita). En el caso del ejemplo del émbolo el proceso ocurre a la velocidad finita de movimiento del émbolo (que siempre será menor que la velocidad de la luz en el vacío porque el émbolo tiene masa).

Cristina Hernández pregunta: «Puesto que la gravedad no es instantánea y al cambiar la posición de las cosas, de la energía, comprime el espaciotiempo a la velocidad c desde la fuente hacia afuera, eso implica que la nueva configuración de las cosas tarda en cambiar; su nuevo efecto sobre el resto del universo, ¿podría ser que mientras se esté extendiendo la compresión de la gravedad a c por el universo el resto de espacio, al que aún no ha llegado la compresión, [la gravedad] lo estire? Es decir, como si fuera una tela como en las malas representaciones de la gravedad con esferas que la hunden pero el hundimiento lo vemos al instante. Si fueran inmensas tardaría un poco en hundirse y al desplazarse las esferas causarían ondulaciones claro y el resto estaría plano donde no ha llegado… Pero ¿la gravedad no podría ser que tuviera que estirar el resto del espacio para compensar la contracción local de forma que se anulen? ¿Sería instantáneo el estiramiento al ser como un todo? En la relatividad general lambda le mete una expansión uniforme a todo a la vez y ya. Y se considera constante porque si lambda variara su valor en el tiempo entonces ¿sería instantánea en el espacio para ese tiempo? Como simplemente se aplica a todas las dimensiones espaciales y la temporal siendo cuadripolar tal cual pue no se».

Contesta Francis Villatoro @emulenews: Las ecuaciones de Einstein para la gravitación son ecuaciones en derivadas parciales no lineales de tipo elíptico-hiperbólico, es decir, son ecuaciones de campo (elípticas) que cuando se separa el tiempo del espacio son ecuaciones de onda (hiperbólicas). Como ecuaciones de onda tienen una velocidad, que corresponde a la velocidad de la luz en el vacío (c). Así todos los fenómenos gravitacionales en el espacio se propagan en el tiempo a una velocidad constante igual a c. No existe ningún fenómeno gravitacional instantáneo; ni siquiera superlumínico (que pueda transferir energía, ya que existen fenómenos superlumínicos aparentes en relatividad general, pero que no pueden propagar energía). Una perturbación del espaciotiempo conforme se propaga por el espocio modifica el espaciotiempo por donde pasa, pero no afecta a los lugares donde aún no ha llegado, ni tampoco afecta ya a los lugares por los que pasó, que quedan inalterados tras su paso.

Max Kahl Escritor pregunta: «Hola. Tengo dos preguntas para Francis. La primera es si puede hablar del zitterbewegung del electrón y si tiene [algo] que ver con el intercambio de componentes derechos e izquierdos mediante el [campo de] Higgs. La segunda es si las constantes de acoplamiento entre los campos cuánticos son relativistas; es decir, si sus valores varían de acuerdo a diferentes observadores con diferentes velocidades. Muchas gracias! FELICITACIONES por todos los programas. Se aprende mucho».

Contesta Francis Villatoro @emulenews: El origen del zitterbewegung del electrón es la interferencia entre las componentes de energía positiva y de energía negativa de las funciones de onda que son solución de la ecuación cuántica relativista de Dirac para el electrón. Su existencia fue propuesta por Gregory Breit en 1928, pero no se ha podido observar en experimentos (su frecuencia es enorme, 2 m c²/ℏ ≈ 1.6 × 10²¹ Hz). Con la introducción de la electrodinámica cuántica (la teoría cuántica de campos que describe el electrón) resulta que dicho efecto es debido a la interferencia entre las componentes del vacío del campo electrón asociadas al electrón y al positrón alrededor de un electrón; cuando se realizan los cálculos el efecto desaparece, así que se trata de un efecto que no existe y no es observable (por ello no ha sido observado).

El zitterbewegung no tiene nada que ver con el mecanismo de Higgs que dota de masa al elecrtón (la interacción de componentes quirales izquierdas y derechas mediada por el vacío del campo de Higgs). Sin embargo, en física de la materia condensada se llama zitterbewegung a una oscilación interna observada en los estados de las cuasipartículas de tipo excitón (parejas electrón-hueco); este fenómeno ha sido observado (aunque solo se puede considerar un análogo físico del zitterbewegung de Breit y Dirac).

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