He participado en el episodio 349 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox, iTunes], titulado “Ep349: Especial Señales de los Oyentes», 06 ene 2022. «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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Adelanto una pregunta, en realidad dos preguntas similares de Antonio J. Cebrián (el «plastinauta») y Francisco Peralta (tomo su redacción): «Si es cierto que las imágenes de los objetos que cruzan el horizonte en un agujero negro se quedan «detenidos» en el tiempo para un observador que no cruce, ese mismo observador vería todos los objetos desde la creación del agujero que traspasaron el horizonte, todos juntos, miles de millones de años «congelados» en el borde».
Contesta Gastón Giribet @GastonGiribet, acompañado de Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: Gastón ha preparado un excelente vídeo (cuyo audio se incluye en el podcast) sobre la observación de la caída en un agujero negro (de Francis) observada desde fuera (por Héctor). La clave es el ritmo de los relojes y cómo les afecta dilatación temporal de origen gravitacional; Gastón pone el énfasis en cómo definir el momento de entrada en el agujero negro para ambos observadores, cuando Héctor nunca podrá observar la entrada de Francis pues para él ocurre en tiempo infinito, pero podrá ver cómo pasa en tiempo finito por cualquier punto fuera del horizonte. Así, Francis ve una última imagen de Héctor antes de entrar y mientras siga vivo en su interior seguirá viendo imágenes posteriores de Héctor, pero solo durante un tiempo finito, pues Francis acabará espaguetizado y desapareciendo en el entorno de la singularidad. En la segunda parte del vídeo incluye una magnífica explicación de los diagramas de Penrose–Carter y cómo se pueden usar para explicar lo que ocurre. En el podcast Héctor le pregunta varias cosas a Gastón sobre estos diagramas; recomiendo sus respuestas en el podcast, que sería muy largo resumir aquí.
En relación a la pregunta sobre si todo lo que cayó en el agujero negro esté «congelado» en el horizonte, Héctor comenta la posibilidad teórica de que la materia se acumule en capas en el horizonte, pero siempre acabará un poco en su interior, pues el horizonte crece conforme «traga» masa. Añado que esta especulación está descartada en gran medida ya que daría lugar a la observación de ecos en las ondas gravitacionales observadas por LIGO-Virgo; como no se han observado hay buenos límites que excluyen esta especulación. Por otro lado, tampoco las imágenes de los objetos están «congeladas» en el horizonte (los fotones en el vacío nunca se paran siempre se mueven a la misma velocidad).
Tampoco se verían todos los objetos caídos ni siquiera dentro del agujero negro. Como comenta Gastón en el audio, Francis al mirar hacia el centro no verá nada, lo verá todo negro, pues ninguna luz escapa desde la zona más interior hasta su posición; Francis al mirar hacia afuera, como el horizonte es transparente, seguirá viendo una imagen del exterior, muy similar a la veía antes de entrar, aunque deformada por efectos de lente gravitacional. Por supuesto, no sabemos cómo los efectos cuánticos gravitacionales alteran esta descripción. Añado que usando gravitación cuasiclásica se ha propuesto la existencia de ondas de choque asociadas a todo lo que cayó en el agujero negro en el pasado, las llamadas singularidades de Poisson–Israel (1991), hacia adentro, y de Marolf–Ori (2012), hacia afuera, que aprovecha Kip Thorne en su interpretación física de la película Interstellar (recomiendo ««The Science of Interstellar» de Kip Thorne», LCMF, 21 nov 2014). Pero estas especulaciones no están aceptadas por todos los físicos.
Javier Rodríguez por Twitter pregunta: «¿Por qué @Neferchitty dices siempre que todo empieza en Súmer?»
Contesta María Ribes Lafoz @Neferchitty: Porque los sumerios inventaron la escritura, el sistema cuneiforme, que es el primero conocido. Y nos comenta una anécdota, una queja de Sócrates, que conocemos gracias a Platón.
Nemo por Twitter pregunta: «¿Podéis comentar festividades invernales de más de dos mil años de antigüedad?»
Contesta María Ribes Lafoz @Neferchitty: Nos destaca las saturnales romanas. Y nos comenta algunas anécdotas al respecto.
Sin pregunta: «Las escalas de distancia en el universo».
Contesta Nacho Trujillo: Nos comenta cómo medir las distancias entre objetos usando el tamaño de dichos objetos. Si el Sol tuviera un diámetro de 10 centímetros, la Tierra estaría a 11 metros de distancia y la estrella más cercana (Alfa Centauri) estaría a 2942 kilómetros. La distancia entre el Sol y Alfa Centauri equivale a 30 millones de soles, por ello en una colisión entre galaxias las estrellas apenas se enteran. Lo curioso es que las distancias entre galaxias son muy pequeñas en relación a su propio tamaño; la distancia entre la Vía Láctea y Andrómeda es de solo 13 veces el diámetro de la primera; si la Vía Láctea tuviera un diámetro de 10 centímetros, Andrómeda estaría a solo 130 centímetros (1.3 metros) de distancia. El radio del universo es unos 42 mil millones de años luz son 17 mil veces la distancia entre la Vía Láctea y Andrómeda; si la Vía Láctea tuviera 10 centímetros, el universo (observable) sería una esfera con un radio de 22 kilómetros, donde habría una galaxia en promedio a cada metro de distancia. Por eso observar colisiones entre galaxias es mucho más fácil que observar colisiones entre estrellas.
Chus Barrueso pregunta: «Me encantaría que se retomara el tema de cómo se prevé que evolucionen las fuentes de energía en las próximas décadas».
Contesta Sara Robisco Cavite @SaraRC83: Nos comenta muchas cosas, que son difíciles de resumir. En energía destaca el autoconsumo; el futuro de las redes de distribución de energía será la incorporación de los pequeños productores (por ejemplo, si tienes paneles solares en tu casa cuya electricidad podrías vender a la red). Destaca la incorporación de microcentrales generadoras de energía, como pequeñas centrales nucleares portátiles, y nuevas centrales offshore (en el mar). Comenta que habrá una revolución en el almacenamiento de la energía, por ejemplo, en centrales hidráulicas de bombeo, y en tecnologías como volantes de inercia y los supercondensadores. Finalmente, comenta que el futuro a largo plazo estará en las centrales de fusión nuclear.
Eugenio Gómez Minguet pregunta: «¿Cómo es la gravedad en el interior de planetas y objetos estelares? Sabemos cómo la tierra nos atrae estando en su superficie u orbitando, pero qué pasa si pudiéramos viajar hasta su centro. Como no conozco las formulas y su manejo no sé si la relatividad indica que en el mismo centro de la tierra se tendría una sensación de «ausencia de gravedad» o es otra cosa. Y si es de esa forma, cómo se modeliza el «gradiente» de gravedad de cuerpos masivos».
Contesta Francis Villatoro @emulenews: Comento que si la Tierra tuviera densidad constante, la aceleración de la gravedad conforme nos acercamos a su centro caería linealmente, sin embargo, si se tiene en cuenta la densidad de las diferentes capas la curva es diferente (ilustrada en esta figura del artículo de Adam M. Dziewonski, Don L. Anderson, «Preliminary reference Earth model,» Physics of the Earth and Planetary Interiors 25: 297-356 (1981), doi: https://doi.org/10.1016/0031-9201(81)90046-7). Newton ya discutió en sus Principia el movimiento en un túnel que pasando por el centro de la Tierra conectara dos antípodas; su explicación era geométrica, pero hoy en día se suele recurrir a la ley o teorema de Gauss, que afirma que el campo gravitacional para una distribución de masas localizada depende solo de la distancia al centro de masas y de la masa contenida en una esfera cuyo radio sea igual a dicha distancia; todo lo que esté «por encima», o sea, más lejos de dicha distancia, no influye. En relatividad general el análogo más directo es el teorema de Birkhoff’, pero que solo aplica a una distribución esférica de masa (un detalle que olvido mencionar en el podcast). Por tanto, en el centro de la Tierra estarías flotando en caída libre como los astronautas y estarías en un ambiente de microgravedad.
Eugenio Gómez Minguet pregunta: «Se supone que la materia oscura no interacciona con la materia bariónica, pero sí ejerce efecto gravitatorio, necesario para explicar la dinámica de las galaxias, etc. Puedo entender que si no interacciona con la materia bariónica pase como con los neutrinos, que nos atraviesan y ni se inmutan, y la gravedad de la tierra no es suficiente para capturarlos, pero sí ocurriría eso en cuerpos masivos. Al menos los agujeros negros capturarían materia oscura igual que capturan la bariónica, y algún efecto debería observarse ¿Se ha observado algo en agujeros negros que no pueda explicarse como captura de material bariónica? Los agujeros negros deberían «contener» tanto materia bariónica como oscura ¿no?»
Contesta Francis Villatoro @emulenews: La materia oscura es materia, como también lo es la materia bariónica, y para la gravitación se comporta exactamente de la misma forma. Para un agujero negro no hay ninguna diferencia entre «tragar» una partícula de materia oscura o una partícula del modelo estándar. La búsqueda experimental de la materia oscura requiere que haya una interacción, aunque muy débil, entre la materia oscura y la materia bariónica; como ocurre con los neutrinos, que son materia oscura caliente, aunque su contribución a la materia oscura total, que parece ser fría, es muy pequeña. ¿Hay observaciones de la interacción entre agujeros negros y materia oscura? No, no las hay, porque solo vemos los discos de acreción de materia a través de su emisión electromagnética y las partículas de materia oscura no emiten (aunque los axiones, si existen y explican la materia oscura, deben influir en la dinámica de estos disco).
Miquel PC pregunta: «¿Sería viable utilizar el Sol como honda gravitatoria? ¿Podría usarse el Sol en las maniobras de asistencia gravitacional para naves espaciales?»
Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro (que rectifica su respuesta en el episodio anterior): La asistencia gravitacional se usa para acelerar o frenar una nave más allá de lo que pueden alcanzar sus motores; resulta imprescindible tanto para ir al Sistema Solar exterior (usando la Tierra, Júpiter, etc.) o para acercarse al Sol (usando Venus). Este tipo de técnica permite acelerar la nave en el sistema de referencia heliocéntrico, un sistema común a todos los planetas; la clave es aprovechar el movimiento del planeta respecto del Sol; la velocidad de entrada y de salida de la nave respecto al planeta es la misma (la órbita es una cónica, una curva simétrica), no se puede acelerar o frenar la nave respecto al planeta. Por tanto, no se puede usar el Sol (que está fijo en el sistema de referencia heliocéntrico) para una asistencia gravitacional. Para llegar al Sol tenemos que frenar usando asistencias gravitacionales con Venus, pero no podemos usar el Sol. Otra cosa diferente sería usar el Sol en una asistencia gravitacional en un viaje interestelar. Aquí el sistema de referencia fijo es el galáctico y podemos usar el Sol para acelerar o frenar en el viaje interestelar.
Héctor nos ha hablado de asistencia gravitacional pasiva, que no usa los motores de la nave durante la maniobra. Sin embargo, hay una alternativa activa, llamado efecto Oberth, en el que usa un encendido de los motores cerca de la máxima aproximación (periapsis o periastro) al planeta usado en la asistencia. En este caso no hay una caída libre hacia el planeta. Usando el efecto Oberth se puede usar el Sol para una asistencia gravitacional activa usando la propulsión.
Oyente pregunta (Héctor no recuerda el nombre): «El 4 de enero durante el perihelio la velocidad de la Tierra alrededor al Sol es máxima. ¿Por qué no notamos la aceleración de la Tierra?»
Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: Porque el cambio de velocidad es muy pequeño. Para entenderlo hay que hacer números. La velocidad media de la Tierra es de 29.78 km/s y la velocidad máxima de 30.28 km/s; el cambio de velocidad ocurre de forma gradual durante tres meses (durante la cuarta parte de la órbita que dura un año). Haciendo números, el cambio de 0.5 km/s en 365/4/86400 segundos resulta en una aceleración de 6.3 × 10⁻⁵ m/s², que es despreciable con respecto a los 9.8 m/s² de aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra.
Héctor disfruta con estas cuentas, así que aprovecha para estimar la aceleración en la superficie de la Tierra debida a la rotación sobre su eje. En el ecuador de la Tierra la velocidad debida a la rotación es de 465 m/s, con lo que la aceleración en superficie es de 0.034 m/s², muy pequeña comparada con la aceleración de la gravedad de 9.8 m/s². Héctor recuerda que en el Universo hay objetos en los que estas aceleraciones no son despreciables y deben ser tenida en cuenta para entender su astrofísica. Pero en la Tierra son despreciables y por eso no las notamos.
Cristina Hernandez García pregunta: «Gracias por todo… [Supongamos que] Tenemos varias partículas entrelazadas en una propiedad. Y un medidor/observador en SU tiempo y siendo este el sistema de referencia hace una medición en la propiedad entrelazada que tiene los valores bajo superposición y le da uno de los valores y sabe el valor de la otra. ¿Entiendo que si para el medidor es el tiempo x cuando realiza la medición, el valor que toma su partícula y el valor que toma la partícula entrelazada se toman en el mismo tiempo x del reloj del medidor no del universo, que no hay tiempo universal instantáneo, sino del tiempo del medidor? ¿para cada una de las partículas si una tiene el tiempo Y para ella en su reloj, para esta el medidor hace la medición y la otra partícula toma el valor en el mismo tiempo Y de su reloj? ¿y para la otra partícula si toma el valor en su reloj en el tiempo Z en ese tiempo es cuando para ella en Z es cuando la otra partícula toma el valor complementario y el medidor hace la medición? Pudiendo ser los valores X, Y y Z diferentes? Como un fotón no siente el tiempo entiendo que no tienen reloj y por tanto el único reloj es el del medidor que además es el que ha podido contar los ciclos de cada fotón si sabía su frecuencia y el momento de emisión de cada uno en su reloj en su tiempo. ¿no habría algo semi-instantáneo o otro concepto que no se pudiera denominar instantáneo pero algún tipo de relación coincidente de eventos para un reloj concreto y para otro reloj también sean coincidentes cada uno para su reloj aunque estén fuera del cono de luz lo que no debería de ser para la relatividad pero en el caso de la rotura del entrelazamiento con partículas muy separadas ¿pudiera ser? ¿o si están fuera del cono de luz una de otra cada una puede estar y «ver» una sucesión diferente de eventos? Se las trae un poco, es retorcer un poco lo de instantáneo que está claro que no es tal pero me queda la duda esta por no acabar de superar el sentido común y la intuición.»
Me gustaría «una explicación sobre el momento de la medición como evento que puede parecer durar más o menos según cada partícula o para cada observador aunque como las partículas están fuera del cono de luz una del evento de la otra durante lo que dure ese proceso de medición estoy elucubrando si para la alejada de la medición para esta será una cantidad de tiempo muy diferente lo que haya durado la medición con su reloj que evitará cualquier paradoja o algo así o que entre evento y evento no se ha marcado tiempo para esa propiedad bajo superposición y esta no lo haya vivido o algo así que evite la idea de instantáneo o simultáneo y cualquier paradoja.»
Contesta Francis Villatoro @emulenews: En resumen, Cristina pregunta si el colapso de la función de onda es instantáneo, pero el colapso (o la proyección del estado tras una medida) no existe, es ficticio. En la interpretación de Copenhague tras una medición se actualiza la función de onda a un valor compatible con la medida, es decir, se actualiza la información sobre el sistema medido a partir del resultado de la medida realizada; pero esta actualización de información no es dinámica, no hay evolución física en este «colapso de información». El sistema completo, formado por el sistema microscópico medido y por el aparato de medida macroscópico, evoluciona de forma física durante todo el tiempo que dura la medida, sin que exista ningún tipo colapso; el problema es que durante la medida la evolución es tan complicada que no podemos describirla en detalle con una ecuación de Schrödinger. Por ello, para poder hacer física tras la medida, nos limitamos a esperar a que finalice la medida (que durará lo que tenga que durar según sea la física del aparato de medida) y a usar el valor obtenido para reiniciar la evolución del sistema microscópico; el mal llamado «colapso» es un procedimiento práctico para continuar estudiando un sistema que sabemos evolucionar entre medidas, pero que no sabemos evolucionar durante las medidas. No siendo un fenómeno dinámico no se puede hablar de su duración (pero eso no significa que sea instantáneo); el aparato de medida siempre tarda cierto tiempo finito en realizar la medida.
¿Cómo se ponen de acuerdo diferentes observadores sobre el momento en que tienen que actualizar su información sobre el sistema medido tras la medida? Pues como en cualquier medida clásica, cuando la información sobre el resultado les llegue vía señales luminosas o de otro tipo. Para ello aplicarán la relatividad para sincronizar sus relojes. En todo este proceso no hay diferencia entre medidas cuánticas o clásicas, pues los resultados de las medidas siempre son clásicos.
Cristina Hernandez García pregunta: «En el efecto Doppler se contrae la onda delante y se expande atrás. El universo vemos que corre al rojo redshift más cuanto más lejos, o sea que se expande pero desde cualquier punto se verá que todo corre al rojo a partir de cientos o miles de milones de años luz… Sin contracción por el otro lado. Y eso equivale a que se expande pero también suena que la longitud de onda de todo fotones pero la asociada a todo se estira y mayor longitud de onda es menor energía. Parecería que las cosas del universo pierden energía en proporción exacta a la que gana la expansión que acelera como si se conservara de alguna manera la total aunque al tener diferente signo… Bueno la cosa es que no hay un tiempo universal para todas las cosas en el sentido de que no hay simultaneidad pero cada cosa en su propio reloj puede calcular la expansión que tiene el universo, y lo que se ha estirado la longitud de onda del hidrógeno+helio inicial a la que se mide hoy. Es decir puede calcular por ejemplo la edad del fondo cósmico de microondas. En su reloj pero le puede dar un valor que será el que corresponda en su reloj para el valor que tendrá otra cosa en el suyo ¿correcto? Si bien no existe simultaneidad si parecería poderse indicar los valores equivalentes en el tiempo de cada evento del universo a nuestro tiempo o reloj. Esto para mi es X y para tal tendrá el valor Y referido a esto invariablemente y para otro medirá en su reloj Z. Cuando por ejemplo la situación sea el tiempo transcurrido para ver un valor de longitud concreta de la radiación del fondo cósmico. ¿eso lo tratamos por equivalencia o valores equivalentes?»
Contesta Francis Villatoro @emulenews: La primera frase es incorrecta, una onda no tiene delante y detrás, como puede tener un paquete de ondas; pero el efecto de contracción delante y expansión detrás de un paquete de ondas se llama dispersión y no tiene nada que ver con el efecto Doppler. El efecto Doppler es un cambio en la frecuencia (o longitud de onda) observada por observadores en movimiento relativo al movimiento de la fuente (se puede hablar de si la fuente o el observador se acercan o se alejan, pero no se puede hablar de delante o de detrás); el efecto Doppler se observó en ondas acústicas, porque la velocidad del sonido es observable para las velocidades que podemos alcanzar. En el caso de la luz, efecto Doppler óptico es un cambio de frecuencia resultado de la relatividad especial. El desplazamiento al rojo cosmológico es un efecto debido a la relatividad general, a la gravitación; este cambio de la frecuencia en un campo gravitacional no tiene nada que ver con el efecto Doppler (debido a la relatividad especial).
Por otro lado, no existen un reloj universal que permita medir el tiempo de forma absoluta; para determinar cuando ocurrieron los fenómenos pasados, como la formación del fondo cósmico de microondas (CMB), hay que recurrir a un modelo (en este caso el modelo cosmológico de consenso, cuyos parámetros se determinan mediante observaciones). Diferentes observadores con diferentes relojes aplicarán el modelo cosmológico y obtendrán el mismo resultado para el momento tras el big bang en el que se formó el CMB, aunque sus diferentes relojes no estén sincronizados entre sí.
Cristina Hernandez García pregunta: «Y otra más loca aún: se expande todo el espacio-tiempo de forma acelerada sin contenido y ahora le metemos dimensiones entrelazadas cerradas diminutamente en cada punto del mismo (sea lo que sea porque con esa elucubración de si solo hay eventos y estructuras de como se producen estos y la capacidad de producir eventos una cosa emergería de la otra y la otra de la primera y…). ¿No debería esa expansión ocasionar que la energía en cada zona comprimiera el espacio-tiempo local como una reacción o inercia etc. ocasionando la gravedad además de comprimir las dimensiones extra compactificadas? ¿O carece de sentido porque sí fuera así la gravedad podría ser variable según la aceleración del espacio vacio? ¿O a la inversa y ser variable la aceleración del espacio vacio según la distribución de energía que ocasione la gravedad?»
Contesta Francis Villatoro @emulenews: Las dimensiones extra del espaciotiempo no están entrelazadas, supongo que quieres decir que están compactificadas. La idea en teoría de cuerdas es reemplazar cada punto del espacio en tres dimensiones por una hipersuperficie con dimensiones extra; la expansión cósmica afecta a la distancia entre puntos del espacio, pero no afecta a la hipotética hipersuperficie de las dimensiones extra. De hecho, la expansión cósmica solo afecta a escala cósmica; los sistemas ligados por interacciones no se ven afectados (no afecta a la Tierra, a ninguno de tus átomos, ni tampoco a las hipotéticas dimensiones extra compactificadas). Los efectos por los que preguntas en tus últimas cuestiones son fenómnenos locales, no afectados por la expansión cósmica.
La distribución de energía a escala cósmica afecta a la expansión, cuyo ritmo depende del contenido a escala cósmica del universo. Por ejemplo, la energía oscura, que acelera la expansión. No sé si preguntas por estos fenómenos, pero lo que no debes olvidar es que para afectar a escala cósmica hay que usar algo a escala cósmica.
David GaNa (galio y sodio) pregunta: «¿Qué es un campo? ¿Qué es el campo electromagnético? ¿Una representación matemática o algo real? ¿Tiene sustancia física?»
Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: Un campo es una propiedad que puede tener un cierto valor en cada punto del espacio; no tiene por qué ser una sustancia física, aunque esté asociado a una. Por ejemplo, la temperatura del aire es un campo, pero la temperatura, per se, no es una sustancia, aunque esté asociado a una propiedad de una sustancia (el aire); también hay campos vectoriales, como el viento, o incluso tensoriales, como las deformaciones en un sólido. Nos comenta Héctor que el campo electromagnético no está asociado a ninguna sustancia, existe incluso en el espacio vacío; nos permite calcular la fuerza sobre una partícula cargada de prueba. Héctor nos cuenta que un campo cuántico es un campo cuyas excitaciones (o perturbaciones) están cuantizadas, solo pueden existir en un número natural (contable); por ejemplo, las excitaciones del campo electromagnético, los fotones, solo pueden existir uno, dos, tres, … pero no puede existir medio fotón, o pi fotones.
David GaNa (galio y sodio) pregunta: «La representación el átomo como órbitas planetarias es obsoleta. ¿Cuál sería la representación actual del átomo?»
Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: Que la física cuántica hay que entenderla desde un punto de vista ondulatorio, salvo en los procesos de medida. Así en el átomo el electrón es una onda, está descrito por una función de onda, que permite calcular la probabilidad de observar el electrón en un cierto lugar. Luego Héctor recomienda visualizar el átomo como un núcleo dentro de una nube de probabilidad, dada por los orbitales atómicos, que permite localizar dónde está el electrón. Los orbitales tienen geometrías más o menos complicadas y en un átomo se encuentran en estados de superposición.
David GaNa (galio y sodio) pregunta: «Respecto a los agujeros negros, ¿cómo se relacionan con la materia oscura? ¿qué pasa cuando cae en un agujero negro?»
Contesta Héctor Socas Navarro @hsocasnavarro: La materia oscura y la ordinaria se comportan de igual forma respecto a los agujeros negros. Héctor destaca que es más fácil que caiga la materia bariónica en un agujero negro porque se concentra en ciertas regiones; pero la materia oscura no está concentrada y se encuentra distribuida en grandes regiones, los halos galácticos, lo que hace más improbable que caiga en un agujero negro. Pero por lo demás no hay diferencia significativa entre ambos tipos de materia.
¡Qué disfrutes del podcast!