Como percibimos la velocidad

Albert Einstein, creador de la teoría de la relatividad.

Si vas en un auto a 100 km/h y te pasa otro auto a 120 km/h, tu verás alejarse a ese auto a 20 km/h, simple matemática. En nuestro mundo cotidiano las velocidades se suman y restan de forma inmediata, pero veamos este ejemplo de un auto que puede aproximarse a la velocidad de la luz, que definiremos con la letra c, y equivale aprox. a 300.000 kilómetros por segundo! Entonces tu vas en un auto a la mitad de la velocidad de la luz, y un rayo de luz te sobrepasa, tu creerás que se aleja de ti a la mitad de la velocidad de la luz, pero no es así, si mides su velocidad verás que se mueve a 300.000 km/s. Entonces presionas a fondo el acelerador llegando a 290.000 km/s, y vuelve un rayo de luz a sobrepasarte, tu creerás que ya no se mueve a 300.000 km/s, pero tu sorpresa es máxima ya que al medir su velocidad sigue siendo la misma. Conclusión, no importando a la velocidad que tu te muevas en el espacio, la velocidad de la luz será siempre 300.000 km/s. Pregunta difícil, cómo es esto posible??

Definición de velocidad

Aquí entraré un poquito en matemática, pero no te asustes, no es compleja, y no es fundamental para entender este artículo, pero si creo que es interesante, si quieres puedes saltarte esta parte. Pues bien, cuando uno dice kilómetros por hora, lo que hacemos es combinar distancia con tiempo, cuánta distancia recorro en una cierta cantidad de tiempo, 100 km/h equivale, como bien debes haber observado, a 100 kilómetros recorridos en una hora, es decir, velocidad es distancia dividido en tiempo, fácil no?. Entonces cómo es posible que no importando a la velocidad que yo me mueva, la luz siempre viaja a 300.000 km/s?? porque si yo hago la matemática de 300.000 km/s menos 290.000 km/s el resultado debiera ser 10.000 km/s, pero no es así! Lo que sucede es que ambas velocidades no pueden sumarse ni restarse, ya que… y aquí viene la parte extraña… no pueden sumarse ni restarse ya que el tiempo, es decir los segundos en este caso, NO SON IGUALES PARA AMBOS. El tiempo no transcurre igual para luz como para el auto, el tic tac del reloj no es el mismo.

La relatividad del tiempo

Como mencionaba, el tiempo no transcurre igual dependiendo de la velocidad con la que uno se mueve en el espacio. Por lo tanto, y esta es la gran revolución que hizo Einsten, la velocidad de la luz es una constante universal, todo le mundo, aliens y otra vida inteligente, no importando a la velocidad que se muevan en sus naves hyperespaciales miden lo mismo para la velocidad de la luz, bueno, en otras unidades que ellos inventaron, pero es igual para todos. Esto genera varias paradojas que en la práctica son factibles, como la famosa paradoja de los gemelos.

Viaje hacia el futuro

Representación gráfica de la paradoja de los gemelos en base a la teoría de la relatividad de Einstein

Imaginemos dos gemelos en la Tierra, uno de ellos toma una nave espacial que se mueve cercano a la velocidad de la luz y el otro se queda en la Tierra, para el gemelo astronauta su viaje de ida vuelta dura con corto tiempo, pero acá en la Tierra pasaron decenas de años y al volver encuentra que su gemelo ya es viejo, debido a que el tiempo no transcurrió igual para ambos. Esto es una simplificación dado que el gemelo astronauta al volver tuvo que aplicar una aceleración, pero esa parte quedará para otro artículo donde hablamos de relatividad general. El punto es que así funciona nuestro universo, el tiempo es relativo, no en el sentido general que nosotros usamos la palabra, sino que es relativo a la velocidad. También hay que agregar que no existe un punto referencial para medir una velocidad absoluta, solo se pueden comparar dos instantes cercanos a la misma velocidad. Y por qué entonces cuando mediemos velocidades en nuestro cotidiano no vemos este problema?

La relatividad en el día a día

Si bien yo voy en un auto a 100 km/h y me sobrepasan a 120 km/h, claramente existen fenómenos relativistas a considerar, pero las velocidades son tan bajas con respecto a la velocidad de la luz, que la diferencia relativista es casi cero, no es cero, pero muy cercana a cero, muchísimo menor que el margen de error del medidor de velocidad de nuestro auto, incluso mucho menor que cualquier instrumento que podemos utilizar para medir velocidades, por lo tanto, para asuntos prácticos, es cero. Entonces surge otra pregunta, es posible medir esta diferencia de tiempo, y tiene algún uso práctico? te sorprenderás con la respuesta.

 El GPS, un dispositivo relativista

Satélites para GPS, utilizan la teoría de la relatividad para entregar datos certeros.

Hoy en día todos tenemos gps en nuestro teléfonos, ya sea para postear nuestra ubicación en Facebook o para mirar un mapa y saber donde tenemos que ir. Pues bien, sin la relatividad los gps no podrían funcionar en absoluto! debido a la órbita de los satélites, sus velocidades son distintas a las nuestras, y bueno, por la gravedad que tienen también es menor por estar en órbita, pero eso es parte de la relatividad general. Por lo tanto, es absolutamente necesario aplicar correcciones relativistas a los relojes de los satétiles de gps para que nos entreguen con precisión nuestra ubicación. Pues ahí lo tienes, un dispositivo de uso casi diario que sin la relatividad de Einstein no podría funcionar.

Antes que todo debo aclarar que la expansión de universo está acelerada, pero eso quedará para otro artículo, aquí sólo nos centraremos en la expansión. Como ya debes saber, el universo tuvo un inicio, y la teoría más aceptada es la teoría del Big Bang, donde se creó todo el tiempo y todo el espacio… si, sé que suena a dogma pero así es, si le creemos a las ecuaciones de Einstein el tiempo y el espacio tuvieron un inicio hace 13.800 millones de años. Por alguna razón que desconocemos el universo comenzó a crecer, y lo sigue haciendo hasta el día de hoy, pero esa expansión es compleja, ya que no existe un “afuera” al que expandirse, el universo ya contiene todo el tiempo y todo el espacio, por lo tanto podemos decir que “hay cada vez más espacio”.

Analogía de un globo sobre la expansión del universo.

Otro punto que suele ser complejo es comprender que no existe un “centro” en el universo, de hecho ni siquiera conocemos la forma que tiene, simplemente todo se expande de todo. Yo dije que sería complejo, pero el universo no tiene por qué seguir la lógica humana. Pues bien, la forma de entender esto es con la muy usada analogía del globo, imagínate un globo con puntos, a medida que vamos inflando el globo los puntos, que están pegados al globo, se alejan unos de otros, pero un punto dibujado no se mueve, es simplemente el hule del globo que se agranda, y no importa en qué punto te pares, siempre vas a ver que todos los demás se alejan de ti, y mientras más lejos, más rápido van. Pero repito, un punto no se mueve!

Si comparamos el globo al universo, vemos que los puntos representan las galaxias, y el hule del globo representa al espacio-tiempo, por lo que a medida que se agranda el espacio, las galaxias se alejan unas de otras, y mientras más lejos, más rápido se van de nosotros. Esto fue descubierto por Edwin Hubble en los años 20, al observar galaxias lejanas y medirle la velocidad con la que se alejan, y el resultado fue sorprendente.

Pero esta expansión del universo en qué nos afecta? nos expandimos nosotros? Pues bien, la gravedad aquí en la Tierra, y de hecho en nuestra galaxia, es más fuerte que la expansión del universo, nuestro planeta no se expande, el sistema solar no se expande y la Vía Láctea tampoco se expande. Es más, las galaxias cercanas no estás expandiéndose, en el caso de la galaxia Andrómeda, a 2,5 millones de años luz de nosotros, vemos que ocurre todo lo contrario, Andrómeda viene hacia nosotros y vamos a chocar en algún momento en miles de millones de años más. Esto ocurre porque a nivel local la gravedad es la que gana, y cuando digo nivel local me refiero a la Vía Láctea y sus galaxias cercanas ligadas todas por la gravedad.

La expansión del universo es uno de los descubrimientos más radicales que se han hecho sobre el cosmos, primero que todo nos permitió darnos cuenta que el cosmos no es estático y que tuvo un inicio y posiblemente un final, sin la expansión del universo nunca hubiésemos llegado a la teoría del big bang. Y segundo, la expansión del universo llevó al descubrimiento de la expansión acelerada del universo, ocurrido el año 1998 que vuelve a cambiar el paradigma de nuestro entendimiento del universo, completamente.

En qué nos afecta la expansión del universo? pues bien, en la práctica en nada. Sin embargo al darnos cuenta el lugar que ocupamos en el cosmos, nos genera un cambio de mirada, tu te das cuenta de tu propio lugar, cambias tu paradigma.  Y la próxima vez que mires un cielo estrellado, y sientas la inmensidad del universo, y su expansión, algo ocurrirá.

Por favor, cualquier duda o consulta deja un comentario. Te gustó el artículo? compártelo en Facebook o en twitter. Nos vemos en otro artículo.

Las estrellas no son eternas, nacen, viven y mueren; aunque el tiempo de vida no tiene comparación alguna al nuestro, estamos hablando de miles de millones de años. Las estrellas nacen de unos lugares que se llaman nebulosas, que son conglomerados de gas y polvo, principalmente hidrógeno que ocupan mucho espacio, alrededor de decenas de años luz de diámetro. Cuando este gas y polvo comienza a colapsar por efecto de la gravedad se comienza a formar un grumo en el centro, al igual que cuando revolvemos una taza de café. Pues bien, después de alrededor de 10 millones de años, se ha acumulado tanto material en el centro, que la temperatura en el centro, debido a la presión, aumenta tanto que comienza un proceso que se llama fusión nuclear, se transforma hidrógeno en helio que es el combustible básico de una estrella. Cuando esto ocurre ya podemos hablar que se ha formado una estrella.

Pues bien, las primeras estrellas que se formaron en el universo poseían solamente hidrógeno, y un poquito de helio, nada más. Y si miramos alrededor nuestro vemos oxígeno, hierro, calcio, etc. Cómo se formaron esos elementos? Pues bien, la creación de nuevos elementos ocurre al interior de una estrella. Durante cientos o miles de millones de años una estrella transforma en su interior hidrógeno en helio, pero en algún momento este hidrógeno en el núcleo que acaba, y aquí comienza la estrella a morir, pero su agonía dura millones de años.

Una vez que se acaba el hidrógeno, la estrella comienza a sintetizar helio en berilio, y así sucesivamente, va agotando un elemento en su interior, y va creando nuevos elementos. Claro, cada paso es menos eficiente que el anterior y la estrella pierde su equilibrio por lo que comienza a crecer transformándose en gigante roja, mientras su núcleo se encoje cada vez más. No quiero entrar en detalles pero el proceso no es tan inmediato, porque el núcleo de una estrella en sus fases finales de vida es como una cebolla, con cáscaras que transforman un elemento en otro, a veces se producen explosiones en algunas capas, las estrellas se vuelven variables, en fin, es un proceso muy complejo y único en cada estrella.

En el caso del sol, en unos 4.500 millones de años más, tendremos una gigante roja que en principio debiera sobrepasar la órbita de la Tierra, pero nuestra querida estrella no posee la masa suficiente para encender al carbono y continuar la síntesis de nuevos elementos, por lo que nuestro sol formará una estrella llamada enana blanca. Este tipo de estrellas no nos interesa para descubrir por qué somos polvo de estrellas.

Remanente de una supernova ocurrida el año 1054, observada por los chinos, aquí vemos polvo de estrellas.

Lo que necesitamos es una estrella de al menos 5 veces la masa del Sol, o más, porque ellas si quemarán el carbono en elementos más pesados hasta que se llegue al límite de los elementos que liberan energía al ser fusionados, me refiero el Hierro (no confundir con fierro que es solamente una aleación). Una vez que esta estrella, que vivió por muchísimo tiempo, llega a tener un núcleo de Hierro, sucede algo fenomenal, este Hierro de desintegra debido a la intensa gravedad, la estrella al no tener sustento implosiona y luego explota fuertemente en una explosión que brillará como cientos de milles de millones de estrellas todas juntas por un par de semanas. Esta explosión se llama supernova, y para ser exactos, supernova tipo II (dos romano). Debido a esta fuerte explosión se generan los elementos más pesados que el Hierro, como el oro, cobre, mercurio, plata y elementos menos conocidos como el wolframio, berkelio o estroncio.

Todos los elementos creados al interior de la estrella, más los sintetizados durante la supernova nos repartidos al espacio, formando una nueva nebulosa, con polvo de estrellas. De esta nube, luego de millones de años se formará una nueva estrella, que contendrá los elementos creados en la estrella muerta, y alrededor de esta nueva estrella se formarán planetas, como el nuestro. Es así como se creó el sistema solar hace 4.500 millones de años, a partir del remanente de una supernova, y es por eso que podemos afirmar que somos polvo de estrellas, porque nuestros átomos estuvieron al interior de una estrella, los elementos que nos crean fueron creados en una estrella, y tal vez, en miles de millones de años más pasemos a formar parte de una nebulosa, y así el ciclo estelar continúa, lástima que no conoceremos a los seres que se creen a partir de nuestros átomos.

Más información acerca de la Evolución Estelar: Wikipedia

Imagen capturada por el telescopios espacial Hubble mirando galaxias muy lejanas.

Cada vez que durante una charla veo cómo la gente de da cuenta de la inmensidad de nuestro cosmos, del tamaño del universo, y algo sucede en la persona, por alguna razón nos sentimos pequeños. Espero que después de leer esta entrada tengas una idea distinta.

Para comenzar a hablar del tamaño del universo necesitamos conocer la velocidad de la luz, que equivale a unos 300 mil kilómetros por segundo, es un número tan grande que se hace difícil de comprender, para tener una idea, un haz de luz puede dar aproximadamente 7,4 vueltas a nuestro planeta en un sólo segundo! Imagínate, a todos nos gustaría viajar así de rápido. Ahora, si nos vamos hacia la Luna, nos damos cuenta que esos 384.000 kilómetros la luz los recorre en un poco más de un segundo, eso quiere decir que cada vez que vemos la luz de la Luna la estamos viendo algo así como 1 segundo en el pasado.

Pero si continuamos nuestro viaje al Sol, 150 millones de kilómetros… cuánto crees que se demora la luz?… 8 minutos. El Sol es la estrella más cercana a nosotros, pero la estrella más cercana al sistema solar está tan lejos, que la luz tiene que viajar más de 4 años, para llegar desde Alpha Centauri hasta nosotros. Esos son 4 años luz de distancia. Alpha Centauri es la estrella más cercana al sistema solar, y nosotros como civilización no tenemos posibilidad alguna de llegar a ella con la tecnología actual. De hecho la nava más lejana que hay hoy en el espacio se encuentra a tan sólo 35 horas viajando a la velocidad de la luz, y lleva 38 años viajando!!!! calcula cuánto se demorará a Alpha Centauri… Le quedan más de 40 mil años para llegar a Alpha Centauri.

Pero el cielo está lleno de estrellas, de hecho nosotros pertenecemos a una galaxia, que se llama Vía Láctea, con unas 200 mill millones de estrellas, de la cuales vemos a simple vista sólo las cercanas, a no más de 1600 años luz de distancia. Pero nuestra galaxia tiene 100 mil años luz de diámetro. Por lo tanto, todo lo que vemos cuando miramos el cielo pertenece a una pequeña parte de nuestra galaxia. Cuando miramos fuera de la Vía Láctea lo que vemos no son estrellas, sino otras galaxias, ubicadas a millones de años luz de distancia, y para verlas necesitamos telescopios, salvo para las Nubes de Magallanes que son dos manchones en el cielo del hemisferio sur a menos de 200 mil años luz de distancia, o la galaxia de Andrómeda a 2,5 millones de años luz de distancia. Para todo el resto de las miles de millones de galaxias que hay en el universo necesitamos telescopios. Y cada una de esas galaxias tiene miles de millones de estrellas, por eso es cierto cuando se dice que hay más estrellas en el universo que granitos de arena en el planeta Tierra.

Si seguimos viajando llegamos a los confines del universo, y si recordamos que mirar en el espacio es mirar en el tiempo, qué será lo más lejano que podemos llegar a ver? La respuesta es simple: los instantes posteriores a los inicios del universo. Hoy existe mucho universo más allá, pero no podemos verlo porque la luz no ha tenido el tiempo de llegar hasta nosotros. Por lo tanto, lo más lejano que podemos observar son 13.800 millones de años luz de distancia que es la edad del universo. Claro, esa es una simplificación ya que la expansión acelerada del universo hace que eso no sea exactamente así, pero no entraré en ese detalle en esta entrada. Y qué vemos a esta distancia? lo que está allí son los instantes posteriores al Big Bang y se llama la radiación de fondo cósmico de microondas, no se ve directamente, porque no es luz visible, pero se detecta con antenas, y es la prueba más fehaciente a la teoría del Big Bang, que ocurrió hace 13.800 millones de años.

Y la pregunta que siempre surge al darnos cuenta del tamaño del universo es ¿habrá vida en algún otro lugar? La verdad es que aún no lo sabemos, pero no hay razón alguna para que seamos los únicos seres que se cuestionan y observan el cosmos.

Bueno, por alguna razón, al darnos cuenta de lo anterior nos sentimos pequeños, y si, somos pequeños en la inmensidad del cosmos. Pero eso no tiene que herir nuestro ego, todo lo contrario, tenemos que comprender que en comparación al universo nuestro problemas son los pequeños, que como civilización hemos vivido menos de un segundo cósmico, por lo tanto, lo único que de verdad podemos hacer, es disfrutar al máximo cada que segundo que tenemos para estar parados en este planeta, nada más.