COMENTARIO 4. FÍSICA

POR CIPRIÁN A. CABRERA BERNAT    

(Dedico este trabajo a la memoria de mi tío Armando Cabrera Sibilla, quien nos impartió la asignatura de Física en la Secundaria Benito Juárez, de Emiliano Zapata, Tabasco).

La física moderna se compone de la física clásica, la física cuántica y la teoría de la relatividad.

La física clásica tiene como figuras principales a Galileo y Newton (mecánica gravitacional) y Maxwell (electrodinámica).

La física cuántica comenzó en 1900 con la creación del concepto de "cuanto" por Max Planck. Se aplica al mundo pequeño.

La teoría de la relatividad comenzó a crearse por Einstein en 1905. Se refiere al mundo sideral.

Newton elaboró en la segunda mitad del siglo XVII la teoría de la gravitación universal, que explica los movimientos de los cuerpos celestes y terrestres. Para ello desarrolló una parte de las matemáticas que se conoce como cálculo diferencial e integral.

Es tan precisa su teoría, que gracias a ella fueron predichas las ubicaciones de los planetas Urano y Neptuno antes de ser vistos, y tan sencilla, que es la que se sigue empleando para realizar los viajes espaciales hoy (2024), sin tener que recurrir a la teoría general de la relatividad de Einstein, que es muy complicada en sus cálculos y solo útil para distancias más grandes.

La física cuántica ha crecido mucho y dado lugar a gran parte de la tecnología de nuestra era, desde el rayo láser, hasta los semiconductores, transistores, microprocesadores, nanoprocesadores, superconductores y la fisión nuclear; se refiere a las partículas atómicas y subatómicas. El concepto de "cuanto" denota paquetes de energía del mismo tamaño: un fotón es un cuanto de luz.

La física cuántica o mecánica cuántica requiere para su estudio teorías probabilísticas que nunca ofrecen certeza absoluta, pero ha desarrollado fórmulas matemáticas específicas de manera extraordinaria. Muchas partículas primero se infieren matemáticamente y solo años después se encuentran físicamente (por ejemplo, la existencia de la antimateria fue predicha desde 1928-30). Y no sólo las partículas se deducen matemáticamente, sino también sus características, a las que se asigna denominaciones que parecieran metafóricas (seguramente por nemotecnia —para memorizarlas mejor) como "verdad", "belleza", "encanto", "color", "sabor":  lo importante es que este lenguaje sea matemáticamente comprensible (muchos físicos dependen de manera casi exclusiva de las matemáticas para describir la realidad y para ellos el lenguaje verbal es solo un auxiliar pedagógico —que además no saben utilizar).

La teoría especial de la relatividad, de Einstein (1905), propone que la velocidad de la luz en el vacío (la cual ya había sido medida con anterioridad y se había demostrado que es invariable) sea considerada como la velocidad máxima que se puede alcanzar. Afirma que la energía de un cuerpo es igual a su masa por la velocidad de la luz al cuadrado (E=mc²), elaborando así una equivalencia primordial para la física (la masa es energía condensada, comprimida: en una pequeña cantidad de ella está contenida una energía enorme).

Hacia 1915, Einstein empezó a escribir su teoría general de la relatividad para incluir el campo gravitacional. Consideró que la luz (y con ella el espacio y el tiempo) se curva por efecto de la gravedad. También afirmó que, a la velocidad de la luz, el espacio y el tiempo se contraen. La teoría general de la relatividad fue la base para predecir la existencia los púlsares, los cuásares y los agujeros negros; es esencial para la astronomía.

FUERZAS

Hay cuatro tipos de fuerzas fundamentales en la naturaleza: la gravitacional y la electromagnética —ya conocidas en la física clásica— y las fuerzas nucleares fuerte y débil —conocidas a través de la física cuántica.

La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidas a las partículas que forman el núcleo del átomo. Se ejerce a distancias pequeñísimas y es la que produce la energía nuclear al romperse o al fusionarse el núcleo: un átomo de uranio tiene cierta inestabilidad —el uranio es un elemento demasiado pesado— y un átomo de hidrógeno también —es demasiado ligero; entonces, mediante ciertos procesos técnicos, se logra producir una fisión (ruptura) nuclear en el caso del uranio y una fusión (unión fundida a muy altas temperaturas) en el caso del hidrógeno, liberándose en ambas ocasiones una gran cantidad de energía (la fusión nuclear aún no ha sido dominada técnicamente para permitir su utilización, libera aproximadamente cuatro veces más energía que la fisión y es la que ocurre en las estrellas cuando átomos de hidrógeno se unen para formar átomos de helio. Es la que produce la energía de nuestro sol).

La fuerza nuclear débil es la que genera ciertos tipos de radioactividad como resultado de la desintegración natural (espontánea) de núcleos atómicos. Por ejemplo, en la desintegración beta (o "decaimiento" beta) un neutrón se desintegra formando un protón, un electrón y un antineutrino y estos dos últimos son despedidos a gran velocidad.

Por medio de la fuerza de gravedad, toda la materia se atrae: los cuerpos más pesados atraen a los más ligeros, pero también al revés, los más ligeros atraen a los más pesados —aunque con menos fuerza. Se han dado diversas explicaciones para entender la gravedad, entre ellas la de ondas gravitatorias, la de partículas llamadas gravitones, y la de la curvatura del espacio-tiempo debida a la masa de los cuerpos.

Las fuerzas electromagnéticas son la electricidad, el magnetismo y las radiaciones electromagnéticas. La electricidad es un flujo de electrones a través de un medio, el magnetismo es un fenómeno producido por la orientación de las moléculas en una misma dirección y las radiaciones electromagnéticas están constituidas por toda la gama de la energía radiante, desde las cortas y nocivas ondas de los rayos gamma hasta las largas ondas de la radio.

La fuerza electromagnética es la que sostiene la unión de los electrones al núcleo del átomo, así como al unión de los átomos entre sí para formar moléculas y de las moléculas para formar materia.

[Opinión personal.- Tal vez —exceptuando la gravedad— todas las fuerzas mencionadas tengan la misma naturaleza, pues presentan campos de atracción y de rechazo —la gravedad es sólo fuerza de atracción].

[Opinión personal.- Tal vez la gravedad provenga de la energía que se encuentra acumulada en toda materia. En los agujeros negros esta es una hipergravedad, y la Gran Concentración que debió preceder al Big Bang pudo ser un hiper-mega-agujero negro que estalló cuando ya no tuvo más materia ni energía que absorber].

EL UNIVERSO

En 1929, Hubble descubrió que el universo se expande. Se calcula que su expansión comenzó hace unos 15 mil millones de años. A raíz de esto, se creó la teoría del Big Bang: la Gran Explosión inicial que dio origen a todo.

El universo actual se expande y enfría. La gran pregunta es: ¿Volverá el universo a contraerse y así formar un ciclo? A través de cálculos matemáticos, se considera que para que el universo detenga su expansión y empiece a contraerse, es necesario que la densidad de la materia total existente exceda de cierto valor, el cual podría alcanzarse gracias a la "materia oscura" o "materia opaca", constituida en gran parte por los neutrinos y antineutrinos. Algunos astrónomos consideran que el universo se expande y contrae por turnos, y que cada turno dura unos 60 mil años.

Así nace un gran agujero negro: una enana marrón (estrella en su última fase de desarrollo, hiperdensa) de repente estalla iluminando el universo —llaman "supernova" a esta explosión. Al mismo tiempo, se forma un gran agujero negro por la implosión concomitante.

Imaginemos: la gravedad, una fuerza tan pequeña que normalmente no interfiere con las otras fuerzas de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética) en un agujero negro ultramasivo es tan intensa que aplasta moléculas, átomos y partículas y las convierte en otra cosa. ¿En qué? No se sabe [tal vez en materia oscura hiperdensa]. Ni la luz escapa. Las leyes de la física dejan de cumplirse; los físicos llaman a esto una "singularidad" (el Big Bang también ocurre en una "singularidad"; también hay una gran explosión y probablemente por implosión se formen muchos agujeros negros).

Los temas relacionados con la gravedad son los más discutidos en la física actual. Se considera que la "energía oscura" tiende a expandir el universo y que la "materia oscura" tiende a contraerlo (aunque ambas son todavía muy enigmáticas).

Terminaré este trabajo haciendo referencia a la ley de la entropía, una de cuyas interpretaciones explica que el universo se enfriará irremediablemente. Esta es la segunda ley de la termodinámica, muy discutida; por ejemplo hay quien considera que su fórmula solo abarca "procesos inducidos que tienen lugar en sistemas aislados y cerrados" y no en el universo cosmológico (puede verse su amplia disertación matemática en Leopoldo García-Colín S., De la máquina de vapor al cero absoluto; calor y entropía, FCE, 1986, pp. 54-90).

Por último, quiero referirme a un fenómeno de la física cuántica impresionante —se le llama "entrelazamiento": cuando son separadas dos partículas que se hallan conectadas cuánticamente (por ejemplo dos fotones originados en un sólo fotón), el comportamiento de una afecta instantáneamente a la otra sin importar la distancia de separación. (Debo agregar que, aunque el entrelazamiento cuántico aún no se entiende, ya empieza a desarrollarse una tecnología para su utilización).