Astrofísica. James Binney

sin la necesidad de cargas (hasta entonces, un campo eléctrico era lo que rodeaba a un cuerpo cargado y un campo magnético lo que rodeaba a un cable con carga. No obstante, este término adicional significaba que un campo eléctrico que variara en el tiempo generaría un campo magnético que también variaría en el tiempo, y Faraday ya había demostrado que estos campos magnéticos generaban un campo eléctrico variable en el tiempo, ¡lo que provoca que el campo magnético regenere el campo eléctrico original, sin la necesidad de una carga! ¿Era correcta esta asombrosa conclusión o el término adicional en la ecuación era solo un error?

      Maxwell pudo calcular la velocidad a la que las oscilaciones acopladas de los campos magnéticos y eléctricos se propagarían en un vacío, la que coincidía dentro de los márgenes de error experimentales con la velocidad medida de la luz. Con esto, llegó a la conclusión de que el término adicional era correcto y que la luz efectivamente se componía de oscilaciones en los campos eléctrico y magnético que se sustentan mutuamente. Dada la corta longitud de onda de la luz (aproximadamente 0,0005 mm), la frecuencia de oscilación debe ser extremadamente rápida. Las oscilaciones a frecuencias más bajas estarían asociadas con una mayor longitud de onda. En 1886, Heinrich Hertz generó y detectó estas ondas “de radio”.

      En conclusión, Maxwell reinterpretó un fenómeno antiguo (luz) y predijo la existencia de un fenómeno completamente nuevo mediante la aplicación de las leyes convencionales de la física a un experimento mental y la argumentación de la necesidad de modificar las leyes para garantizar la coherencia de la teoría, lo que se convirtió en algo revolucionario.

      Para siempre jamás

      Creemos que las leyes de la física siempre han sido ciertas; tenemos evidencia seria de que esto ya se cumplía aproximadamente un minuto después de que comenzara el universo, hace 13,8 gigaaños (Ga); siguieron siendo ciertas mientras el universo evolucionaba desde una bola de fuego explosiva, con una era helada y oscura entre medio, hasta el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias, las que se estudian con enormes telescopios y hasta el día de hoy esta certeza se mantiene.

      Si bien las leyes de la física se han mantenido estables durante los últimos 13,8 Ga, el universo ha cambiado hasta un punto casi irreconocible. Nuevamente abordamos la distinción newtoniana entre las leyes de la física, incorporadas en ecuaciones diferenciales y que siempre y sin importar el lugar son ciertas, y el fenómeno que describen, el que puede cambiar en su totalidad, ya que las condiciones iniciales para las que resolvemos las ecuaciones cambian radicalmente.

      Dado que las leyes de la física se cumplen sin importar el lugar del universo, podemos viajar mentalmente a galaxias lejanas, y en vista de que fueron iguales en todo momento, también podemos viajar mentalmente hasta el inicio de los tiempos. La naturaleza universal y eterna de las leyes de la física nos permite, imaginariamente, convertirnos en viajeros en el tiempo-espacio.

      La astrofísica es la aplicación de las leyes de la física a todo lo que está fuera de nuestro planeta, por lo que se puede considerar una derivación de otras ciencias, a las que, no obstante, ridiculiza en cuanto a su alcance.

      Al principio existía la palabra

      El universo es transitorio, pero las leyes de la física son eternas. Ya existían antes de que comenzara el universo y lo estructuraron. La forma en que funciona un experimento en particular no puede ser la misma todos los días, pues las cosas cambian en el mundo real. Hoy hace más frío que ayer, y esto cambiará de algún modo el resultado del experimento. El campo magnético de la tierra cambia constantemente de dirección, y esto cambiará, en cierto modo, el resultado del experimento. El Sol está envejeciendo y aumentando su luminosidad, mientras que la luna se va alejando de la Tierra, factores que también afectarán al experimento de algún modo. En el mundo real nada es constante, sin embargo, en la mente de un físico, hay leyes que son eternamente ciertas y nunca cambian; esta inamovilidad no es accidental ni un espejismo, sino un acto de voluntad: los físicos no sienten que comprenden adecuadamente un fenómeno sino hasta que logran asociarlo a una ley que sea eternamente cierta.

      Si empacamos todo nuestro equipamiento y lo llevamos a otro país o a otro lugar, el experimento será, de cierto modo, diferente, ya que en esa nueva ubicación el campo magnético de la Tierra será distinto, el campo gravitacional de la tierra será distinto, estará más caluroso o más frío y el flujo de rayos cósmicos en el laboratorio será distinto. Pero las leyes de la física serán exactamente las mismas. Nuevamente la continuidad de las leyes de la física en todos lados es un acto de voluntad: no descansaremos hasta que toda diferencia en el resultado del experimento en las diferentes ubicaciones se pueda rastrear a alguna diferencia en las circunstancias que cambian la solución que requerimos a las leyes universales e inmutables de la física.

      La insistencia en explicar los fenómenos en forma de leyes ciertas en todo momento y lugar no solo nos permite viajar a través del tiempo y el espacio hasta los lugares más recónditos y los tiempos más remotos, también nos otorga tres herramientas poderosas que podremos utilizar en estos viajes: energía, momento y momento angular.

      En 1915, Emmy Noether nos entregó resultados fundamentales. Si las leyes que rigen la dinámica de un sistema se mantienen iguales al mover o rotar un sistema, cuando este se mueve o rota existe una magnitud que se puede apreciar a partir de su posición y velocidad actuales, y que seguirá siendo constante. Afirmamos que el sistema tiene una “magnitud conservada”. La magnitud conservada resultante de que las leyes sean las mismas en todos lados es el momento y la magnitud conservada resultante de que el sistema no se vea afectado por su orientación este-oeste, norte-sur u otra es el momento angular. Una expansión del teorema de Noether expresa que, si la dinámica es la misma en todo momento, entonces existe otra magnitud conservada, la energía. Por lo tanto, la naturaleza universal y eterna de las leyes de la física da lugar a tres magnitudes conservadas importantes: momento, momento angular y energía. La coherencia de estas magnitudes es de gran ayuda para intentar comprender un sistema muy lejano en distancia o tiempo.

      En 1930, Wolfgang Paulí conjeturó la existencia de unas partículas a las que denominó neutrinos y que transportaban momento y energía durante las reacciones nucleares. En respuesta a la evidencia experimental que mostraba de forma clara que no había conservación de energía y momento, ideó la existencia de partículas desconocidas que garantizaban que la energía y el momento se conservaran. Para una generación, los neutrinos fueron especulación pura, sin embargo, se detectaron finalmente en 1956. Su detección es compleja, ya que tienen secciones transversales demasiado pequeñas (aproximadamente 10-46 m2) como para interactuar con cualquier cosa. En el lenguaje de la física clásica, esto significa que un neutrino colisionará con otra partícula solo si pasa a aproximadamente √10−46 m2 = 10−23 m del centro de dicha partícula, distancia 100 millones de veces más pequeña que un protón. De hecho, la mecánica cuántica hace que localizar dichas partículas de forma muy precisa no tenga sentido, por lo que el significado real de las secciones transversales de los neutrinos es que tienen una probabilidad muy baja de interacción, no obstante, juegan un rol significativo en la estructuración del universo.

      Más pasa en el cielo que en la Tierra

      Nuestra historia comenzó con Newton trayendo la luna a la tierra usando las leyes comunes de la dinámica. En los años treinta, el excéntrico astrónomo suizo Fritz Zwicky restauró en cierto modo la supremacía de los cielos al plantear que “si algo puede suceder, sucederá”. Esto quiere decir, que todo lo que permitan las leyes de la física ocurrirá en algún punto del universo. Con el instrumento adecuado y con algo de suerte, podemos verlo ocurrir. El principio de Zwicky implica que es conveniente pensar sobre qué objetos extraños y eventos exóticos son, por principio, posibles. Si cuenta con un conocimiento adecuado de la física, podrá calcular cuáles serán las manifestaciones observables de estos objetos o eventos, e incluso estimar qué tan frecuentemente ocurren. Posteriormente puede impulsar a que otros busquen estos eventos.

      El ejemplo típico de este proceso es la identificación de las enanas blancas. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar recorría la larga travesía entre Bombay y Southampton para trabajar en la Universidad de Cambridge. Se preguntaba cómo el entonces nuevo y controversial campo de la mecánica cuántica podría influir en las estrellas. Demostró