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¿De qué está hecho el espacio?: Primer apunte sobre la Teoría Impertérrita de la Gravitación Universal

Posted by Albert Zotkin en noviembre 17, 2015

Sí, el nombre de Teoría Impertérrita de la Gravitación Universal me lo acabo de inventar en este preciso instante :-P. Esta teoría va propugnar lo siguiente:
Supongamos un universo con sólo dos cuerpos eléctricamente neutros de masas m1 y m2. Entonces, esos dos cuerpos sólo podrán moverse si lo hacen el uno hacia el otro. Nunca podrán incrementar la distancia que los separa, sólo acortarla. ¿Por qué es eso así?. Según esta teoría, que me acabo de inventar, eso sería así porque para que un cuerpo con masa se mueva necesita que en su trayectoria haya otra masa que actúe como nodo destino. Una masa sólo se podría mover hacia otra masa. En dicho universo, con sólo dos cuerpos másicos, no existiría espacio más allá del intervalo de linea recta que une sus dos centros de masas.

Según esta Teoría Impertérrita de la Gravitación Universal, si en un universo existen sólo tres cuerpos másicos, los grados de libertad serían más que los de sólo dos cuerpos. Así, la masa m1 podría moverse hacia m2 o también hacia la m3, ya que el espacio existente estaría definido por las rectas que unen todos los centros. Cabe pues, preguntarse cuánto espacio generan dos masas. Y la respuesta es la siguiente:

\displaystyle s = {2 G (m_1+m_2) \over c^2} (1)

donde:

space-grid-2

Una única masa no tendría capacidad para generar espacio (universo de una única masa) por la sencilla razón de que, en esta teoría, se necesitaría al menos otra masa más que actuara como nodo destino. Es decir, en esta teoría no existiría autogravedad.

También podemos estudiar cómo sería el movimiento de acercamiento de dos masas. Se trata de ver a qué velocidad se acercarían. Y la respuesta es simple. A medida que se van acercando, cada vez hay menos espacio entre esas dos masas, por lo que el movimiento sólo podrá ser acelerado si la cantidad de espacio que se sustrae cada vez, en cada diferencial de tiempo, es una cantidad constante. Veremos esto más tarde con más detalle.

Albert Einstein nos habló de cómo la materia y la energía curvan el espaciotiempo y cómo, una vez curvado, la materia y la energía se ven forzadas a seguir inexorablemente unas determinadas trayectorias llamadas líneas geodésicas. En esta Teoría Impertérrita de la Gravitación Universal no es necesario hablar de curvatura, ni de espaciotiempo. Nos bastará con la existencia en principio de sólo el tiempo, un tiempo absoluto. El espacio y sus atributos será generado y definidos respectivamente por la propia materia y la energía.

De la misma forma que no existen fotones libre, tampoco existen partículas con masa libres. ¿Qué quiere eso decir?. Eso quiere decir que cuando una partícula con masa se mueve, siempre lo hace hacia otra partícula con masa. Su destino siempre será llegar hasta un centro de masas. ¿Por qué?. Muy sencillo. Un universo vacío de partículas no tiene sentido. Y una partícula alejándose de otra hacia ninguna parte, hacia el vacío, sin que haya otras partículas como destino, tampoco tiene sentido. De igual forma, un fotón puede ser emitido por la sencilla razón de que será absorbido. Un fotón nunca sería emitido si previamente no existiera una transacción por la cual la naturaleza se asegura de que ese fotón será absorbido por otro sistema material con una probabilidad del 100%. Si un fotón nunca es absorbido por un sistema material entonces ese fotón nunca se emitió. Esto, que parece absurdo a simple vista, tiene muchas e importantes implicaciones, pues conecta eventos pasados con eventos futuros. Es como si la naturaleza viera en cierta forma lo que va a ocurrir en un futuro y, mediante un sistema burocrático de transacciones, negociara con el sistema que recibirá el fotón en qué condiciones se producirá. De igual forma partículas con masa, como por ejemplo leptones y hadrones, sólo pueden alejarse de otras si y sólo si se acercan a unas terceras. Esto nos indica claramente que son las partículas con masa las que crean espacio entre ellas, espacio que antes no existía.

Esta Teoría impertérrita contradice a la teoría del Big Bang (la Gran Explosión) que supuestamente dio origen a todo el universo en un único punto de espaciotiempo, con un evento singular inicial. ¿por qué la contradice?. Muy sencillo, si las partículas con masa estaban todas en el mismo punto singular, entonces no puede ocurrir el evento de una explosión o expansión, ya que no existirían masa destino hacia las que expandirse. Si un universo se expande uniformemente (siempre desde esta Teoría Impertérrita) sería porque existirían masas distribuidas en capas esféricas y concéntricas alrededor de ese universo. Pero, esas masas hacia las que supuestamente se expande el universo pertenecerían al propio universo, con lo cual, si es cierto que nuestro universo se expande, es sencillamente porque no es todo el universo, sino sólo una parte muy pequeña, más allá de la cual sigue habiendo partículas con masa que no podemos observar.

Saludos

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Cómo evitar caer en un agujero negro cuando haces footing

Posted by Albert Zotkin en septiembre 25, 2015

Cuando sales a hacer footing una mañana cualquiera, es muy fácil evitar caer en un agujero negro si te encuentras alguno en tu camino. Lo único que tienes que hacer es saltar sobre él. De esa forma, como si de un charco de agua se tratara, evitarás caer en el y ser ‘espaguetizado’.
athletisme-50
¿Tienes algunas dudas sobre como podrías saltar sobre ese agujero negro y no caer en él?. Veamos matemáticamente cómo.

El tamaño de ese agujero negro viene dado por su masa. Podemos decir que su horizonte de sucesos es su borde natural. Sería algo así como una esfera tridimensional (tres dimensiones, no cuatro, ya que por el principio holográfico toda la información cuántica estaría en la superficie exterior de su 4-esfera espacio-temporal). El radio de esa 3-esfera sería el radio de Schwarzschild, rs:

\displaystyle  r_s = {2 G M \over c^2}   (1)
Es decir, tendrías que saltar una longitud de al menos 2rs. Pero, para saltar sobre una 3-esfera necesitas algo que aún no sabes qué es. Ese algo se llama “salto cuántico” o “túnel cuántico” (un ‘salto cuántico’ es como suprimir instantáneamente el espacio existente entre dos puntos, de modo que ambos puntos, que antes estaban separados, llegan a ser el mismo punto espacio-temporal, pero sólo ocurre exclusivamente para el objeto que realiza el salto, y después del salto, los puntos restauran su distancia original). Para calcular cómo realizar ese “salto cuántico” hemos de calcular la longitud de onda de tu onda de materia. Para ese cálculo necesitaremos saber qué onda de De Broglie has de desarrollar en el borde de ese agujero negro. La longitud de tu onda de materia es

\displaystyle  \lambda = \cfrac{\hbar}{mv}  (2)
donde m es tu masa corporal y v es tu velocidad haciendo footing. ¿Cuándo conseguirás saltar sobre ese agujero sin caer dentro de él?. Evidentemente cuando saltes al menos una longitud igual a 2rs. Para ello igualamos ambas ecuaciones, (1) y (2), la primera multiplicada por 2:

\displaystyle  2r_s = \lambda  \\ \\   {\cfrac{4 G M}{c^2} = \cfrac{\hbar}{mv} }  \\ \\ \\  v = \cfrac{\hbar c^2}{4 G M m}
Calculas numéricamete ese valor, y te aseguro que, si eres capaz de desarrollar esa velocidad o una inferior, no caerás dentro de ese agujero negro que te encontraste en tu feliz camino al hacer footing. A esa velocidad v tu salto cuántico sería exactamente de dos radios de Schwarzschild. Cuanto menor es la velocidad más larga es la longitud de tu onda de materia, y por lo tanto más probabilidad tendrás de saltar cuánticamente ese diámetro. De hecho, la probabilidad de caer en un agujero negro es tan grande como la probabilidad de encontrarte uno.

Esta idea nos sirve para indicar que la velocidad mínima no nula, c0, de un cuerpo de masa m, sería tal que la longitud de onda de su onda de materia sería igual a un radio de Hubble:

\displaystyle  R_\text{H} = \cfrac{\hbar}{mc_0}
Por otro lado sabemos que una velocidad mínima tal vendría dada por la expresión:

\displaystyle    c_0 =\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{R_\text{H}^2}}
Esto significa que la masa m, en función de esa c0, debería ser:

\displaystyle    m =\sqrt{\frac{\hbar c_0}{G}}
Lo cual nos sugiere que las masas de las partículas fundamentales surgiría por que una partícula más fundamental aún se movería o vibraría a velocidades muy cercanas al reposo.
Paradójicamente“, cuanto mayor sea el radio de Schwarzschild del agujero negro sobre el que deseas saltar cuánticamente, menor ha de ser tu velocidad hacia él, según queda explícito en la ecuación (2). Y esto demuestra que para saltar cuánticamente una distancia infinita sólo necesitas alcanzar el reposo exacto matemático si tu masa corporal es finita. Ese salto infinito te dejaría exactamente en el mismo punto donde empezó el salto, con lo que un universo infinito sería además un universo transfinito, como apunté en un reciente post mio titulado Un universo eterno y transfinito: una foliación conforme del espaciotiempo.
Saludos

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Meditaciones a cerca del efecto Doppler de las ondas de materia

Posted by Albert Zotkin en julio 26, 2015

Algo misterioso ocurre con las partículas con masa. Un electrón puede ser considerado como una partícula o como una onda, y eso depende de cómo dispongamos nuestros aparatos de medida en el experimento. El problema es que esa onda de materia parece estar deslocalizada respecto a la hipotética fuente que la genera. Según la hipótesis de De Broglie, las partículas poseen también una longitud de onda:

\displaystyle    \lambda = \cfrac{h}{mv}
donde h es la constante de Planck, m la masa de la partícula y v el módulo del vector velocidad. Por lo tanto, según esa ecuación, la longitud de onda de la partícula aumenta cuando disminuye la velocidad (el módulo del vector velocidad)., y disminuye cuando aumenta la velocidad. Pero lo mismo da que la partícula se aleje o se acerque al observador, esas variaciones de longitud de onda se dan siempre considerando el módulo del vector velocidad. Por lo tanto, vemos que para un posible efecto Doppler, esa ecuación nos dice poco, pues estamos acostumbrados a que las ondas de sonido o de la luz alarguen su longitud cuando la fuente que las genera se aleja de nosotros o acorte dicha longitud de onda cuando esa fuente se acerca. Pero, en las ondas de materia parece ser que esa variación sólo ocurre con la variación del módulo del vector velocidad, independientemente de que la partícula se aleje o se acerque al observador.

El experimento de Young (también llamado de la doble rendija) nos deja estupefactos cuando comprobamos una y otra vez que las partículas subatómicas (electrones, protones, neutrones, etc) se comportan como ondas cuando queremos conocer demasiado sobre sus trayectorias y estados. Eso quiere decir ni más ni menos que, intrínsecamente, las “partículas” subatómicas no son ni partículas ni ondas, sino todo lo contrario.

De Broglie descubrió que los cuerpos con masa se comportan como si fueran ondas, es decir, se propagan mostrando cierta longitud de onda o frecuencia (de algo que vibra, ¿campo de Higgs?, ¿Ëter?, ¿campo gravitacional?).

Seguidamente voy a demostrar que las ondas de materia sufren también el efecto Doppler. Y que la longitud de onda y la frecuencia de una onda de materia se expresan completamente de esta forma:

\displaystyle  \;\;\;f = \cfrac{mc^2}{\hbar}\  \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)\;\;\;
\displaystyle  \lambda = \cfrac{\hbar}{mc} \ \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)

He demostrado muchas veces, por activa y por pasiva, que las fórmulas del efecto Doppler completo para una determinada frecuencia (o longitud de onda) electromagnética, se expresan así:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v}{c}\right)  (1)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v}{c}\right)  (2)
donde obviamente, f es la frecuencia de la luz medida por el observador, f0 es la frecuencia original emitida por la fuente de luz, v es la velocidad relativa entre fuente y observador, y c es una constante (299792458 m/s) que muchos dicen que es la velocidad de la luz en el vacío (yo no me atrevería a decir tanto). λ es la longitud de onda medida, y λ0 es la longitud de onda original.

Igualmente, para las ondas de materias debe existir un efecto Doppler similar. La velocidad de fase cph de una onda de materia, por ejemplo la de un electrón, se expresa como el cociente de su energía total dividida por su momento lineal:

\displaystyle  c_{ph} = \cfrac{E}{p}
En cuanto a la velocidad de grupo vg de dicha onda de materia sería la derivada de la energía total respecto del momento:

\displaystyle  v_{g} = \cfrac{dE}{dp}
La enegía total de una partícula con masa m y su momento lineal se expresarían así:

\displaystyle  E = mc^2 \cosh\left(\cfrac{v}{c}\right) \\ \\ \\  p = mc \sinh\left(\cfrac{v}{c}\right)
por lo tanto, la velocidad de fase y la velocidad de grupo se expresan así:

\displaystyle  c_{ph} = \cfrac{E}{p} = mc^2 \cfrac{\cosh(v/c)}{mc\sinh(v/c)} = c \coth\left(\cfrac{v}{c}\right) \\ \\ \\  v_{g} = \cfrac{dE}{dp}  = \cfrac{mc^2 \sinh(v/c)}{mc \cosh(v/c)}= c \tanh\left(\cfrac{v}{c}\right)
Todo esto está ya super demostrado (por activa y por pasiva). Ahora viene la parte novedosa. Sustituyamos la β = v/c en las fórmulas del efecto Doppler, por esta otra:

\displaystyle  \beta =\cfrac{v_g}{c_{ph}}
Esto significaría que el efecto Doppler quedaría expresado para ondas de materia en lugar de para ondas electromagnéticas, así:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v_g}{c_{ph}}\right)  (3)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v_g}{c_{ph}}\right)  (4)

Pero es fácil ver que existe una relación de dispersión:

\displaystyle  v_g c_{ph} = \left(c \coth \frac{v}{c} \right) \left(c \tanh \frac{v}{c}\right) = c^2
con lo cual, las ecuaciones (3) y (4) quedarían así, si identificamos la velocidad de grupo de la onda de materia con la velocidad de la partícula, vg = v:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)  (5)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)  (6)
Es decir, esta frecuencia f y esta longitud de onda λ ya no corresponden a ondas electromagnéticas, sino a ondas de materia. Y esto significa, ni más ni menos, que f0 y λ0 deben corresponder a la frecuencia y la longitud de Compton:

\displaystyle  f_0 = \cfrac{mc^2}{\hbar}  (7)
\displaystyle  \lambda_0 = \cfrac{\hbar}{mc}  (8)
Así, finalmente, tendremos que el efecto Doppler para las ondas de materia vendría expresado por estas dos ecuaciones:

\displaystyle  f = \cfrac{mc^2}{\hbar}\  \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)  (9)
\displaystyle  \lambda = \cfrac{\hbar}{mc} \ \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)  (10)
CDQ. Con lo cual he demostrado lo que quería demostrar. Además, en estas dos ecuaciones del efecto Doppler de ondas de materia se ve muy claramente por qué la longitud de onda no depende de si la partícula se acerca o se aleja del observador. La causa de eso es porque la β está elevada al cuadrado, y por lo tanto el signo de v (negativo para alejamiento y signo positivo para acercamiento) no influye en el valor de ese efecto Doppler.

Sin embargo, la ecuación (6) no equivale a la ecuación que propuso de Broglie, λ = h/mv, cuando la velocidad de la luz c tiende a infinito, es decir, en el límite clásico (Newtoniano). Esta discordancia obedece al hecho de identificar la velocidad de grupo de una onda de materia con la velocidad de la partícula, lo cual no siempre es correcto. Para corregir ese hecho, simplemente sustituimos el momento lineal clásico, p = mv, por el relativista Galileano, p = mc sinh(v/c). Con lo cual la longitud de onda de una onda de materia quedaría así:

\displaystyle    \lambda = \cfrac{h}{mc \sinh(\tfrac{v}{c})}     11
de esta forma es fácil comprobar como:

\displaystyle     \lim_{c \to \infty} \lambda =  \lim_{c \to \infty}\ \cfrac{h}{mc \sinh(\tfrac{v}{c})} =\cfrac{h}{mv}

Y para la frecuencia, tendremos la ecuación:

\displaystyle    f = \cfrac{E}{h}=\cfrac{m c^2}{h} \cosh(\frac{v}{c})     12

Saludos

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El eslabón perdido entre la ecuación de Schrödinger y la gravedad

Posted by Albert Zotkin en mayo 21, 2013

Hola incondicionales de Tardígrados. Hoy vamos a analizar un aspecto insólito de la mecánica cuántica, y es ese que afirma que la mecánica cuántica no incorpora la interacción gravitatoria, pero si las demás interacciones fundamentales. Y veremos cómo eso es simplemente un producto del desconocimiento, pues en la mecánica cuántica la interacción gravitatoria es el núcleo duro desde el que todas las demás interacciones son posibles. Veremos que, un universo sin gravedad seria un universo sin electromagnetismo, sin interacción débil y sin interacción fuerte.

Empecemos. La ecuación de Schrödinger, que es una de las piezas claves de la mecánica cuántica, es una ecuación diferencial que describe cómo evolucionan los estados cuánticos de algunos sistemas físicos. Dicha ecuación se deriva partiendo de una onda plana, cuya ecuación es

\displaystyle  A (\mathbf{r}, t ) = A_o \cos (\mathbf{k} \cdot \mathbf{r} - \omega t + \varphi )  (1)
La primera pregunta que hay que hacerse es: ¿Una onda plana de qué?. ¿Qué es lo que vibra?. De momento diré que esas ondas son ondas de materia o también llamadas ondas de De Broglie. Utilicemos ahora la forma compleja de esa función de ondas planas,

\displaystyle  \Psi = A_1e^{i(\mathbf{k}\cdot\mathbf{r}-\omega t)}   (2)

donde el desfase \varphi se ha separado como producto en el factor complejo A_1 =A_0e^{i\varphi}.

De las relaciones de De Broglie sabemos que la energía total del sistema está relacionada con la frecuencia angular \omega=2\pi \nu, así,

\displaystyle  E = h\nu = \hbar \omega   (3)
y de igual forma, el momento p es inversamente proporcional a la longitud de onda \lambda , o lo que es lo mismo, directamente proporcional al número de onda k = \frac{2\pi}{\lambda},

\displaystyle  p  = \frac{h}{\lambda} =  \hbar k  (4)
Por lo que la ecuación (2) puede ser escrita así,

\displaystyle  \Psi =  A_1e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-Et)/\hbar}   (5)

Si ahora hallamos la derivada parcial de \Psi respecto al espacio, tenemos,

\displaystyle   \nabla\Psi = \dfrac{i}{\hbar}\mathbf{p}A_1e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-Et)/\hbar} = \dfrac{i}{\hbar}\mathbf{p}\Psi   (6)

y respecto al tiempo, sería,

\displaystyle   \dfrac{\partial \Psi}{\partial t} = -\dfrac{i E}{\hbar} A_1e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-Et)/\hbar} = -\dfrac{i E}{\hbar} \Psi   (7)
Usemos ahora el inmenso hallazgo que descubrí en mi post anterior (y que nadie parece darse cuenta de su importancia, ya sea por desconocimiento o por reprobación de falsa fé). Este sensacional descubrimiento viene a decir que la energía cinética Ek de una partícula de masa m, que se mueve uniformemente a una velocidad v, es igual al doble del cuadrado del momento lineal q que tendría si se moviera a la mitad de dicha velocidad, dividido por la masa,

\displaystyle   E_k =\cfrac{2\ q^2}{m}    (8)
Esto, que parece una nimiedad, no es en modo alguno baladí, sino que es la clave para conseguir un avance revolucionario en la mecánica cuántica. Amigos incondicionales de Tardígrados, no encontrareis hasta la fecha ningún libro ni paper de física teórica que nos presente o nos hable de la ecuación (8). Resulta que esa ecuación es relativista, no es clásica, y por lo tanto, al ser usada en la derivación de la ecuación de Schrödinger, lo que obtendremos será es una ecuación relativista.

La energía total de esa partícula de masa m, puede ser ahora expresada así,

\displaystyle   E = mc^2+ E_k= mc^2 + 2\cfrac{q^2}{m}    (9)

y eso implica que la ecuación en (5) de Schrödinger puede ser transformada en una ecuación relativista así,

\displaystyle  \Psi =  A_1 \ e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-(mc^2 + 2\tfrac{q^2}{m} )t)/\hbar}   (10)
Observamos que la relativista \Psi queda expresada mediante el primer armónico p y el cuadrado del segundo armónico, q2 = q.q. Además. podemos volver a separar la parte constante (desfase), mc2,

\displaystyle  \Psi =  A_2 \ e^{\frac{i}{\hbar}(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-2tq^2/m)}   (11)

donde obviamente A_2= A_1\  e^{-imc^2/\hbar}. Y ahora podemos hallar las derivadas parciales, como en (6) y (7),

\displaystyle   \nabla\Psi = \dfrac{i}{\hbar}\mathbf{p}A_2e^{\frac{i}{\hbar}(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-2tq^2/m)} = \dfrac{i}{\hbar}\mathbf{p}\Psi   (12)
\displaystyle   \dfrac{\partial \Psi}{\partial t} = -\dfrac{i 2q^2}{\hbar\ m} A_2\ e^{i(\mathbf{p}\cdot\mathbf{r}-2tq^2/m)/\hbar} = -\dfrac{i 2q^2}{\hbar\ m} \Psi   (13)

Por otro lado, podemos resumir, recordando que,

\displaystyle  \sqrt{(mc^2)^2 + (pc)^2} = mc^2 + \frac{2\ q^2}{m}  \\ \\    (mc^2)^2 + (pc)^2 = (mc^2)^2 + 4c^2 q^2 + \frac{4q^4}{m^2} \\ \\    (pc)^2 =  4 c^2 q^2+ \frac{4\ q^4}{m^2} \\ \\   p^2 =  4q^2+ \frac{4q^4}{c^2m^2}= 4q^2 \left (1+ (\frac{q}{cm})^2 \right )  (14)
En cualquier caso, si cuantizamos (9) obtenemos el notable e inmenso resultado (¡ojo!, hasta ahora esto no está en los libros de texto, ni en ningún paper, es cosecha propia mia):

\displaystyle  \boxed{i \hbar \frac{\partial}{\partial t}\Psi = mc^2\Psi + \frac{2\mathbf{q}^2}{m} \Psi }  (15)
que es una ecuación relativista, ya que entra en juego el momento relativista \mathbf{q}, y siempre sin perder de vista que \mathbf{q} = -i \hbar \mathbf{\nabla} es el operador momento de la partícula cuando tiene una velocidad mitad de la actual, y que es el segundo armónico de la onda plana de De Broglie asociada a dicha partícula. Es decir, por si alguien aún sigue perdido,

\displaystyle  \cfrac{p^2}{2m}   (16)

es una energía cinética no relativista de una partícula de masa m que se mueve a una velocidad v. Sin embargo,

\displaystyle  \cfrac{2q^2}{m}   (17)

es la energía cinética relativista de esa misma partícula cuando se mueve a la misma velocidad v, pero usando el segundo armónico, que corresponde a la mitad de esa velocidad, v/2.

Saludos

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Relaciones de De Broglie expresadas desde la Relatividad Galileana Completa

Posted by Albert Zotkin en mayo 10, 2013

Buenos días. incondicionales de Tardígrados. Hoy voy a hablar de las relaciones de De Broglie y de cómo es posible obtener una función de onda relativista que contenga sólo derivadas de primer orden respecto al espacio y al tiempo.

Sabemos ya que la velocidad de fase de una onda de materia puede ser expresada como

\displaystyle  c_p = \frac{E}{p}  (1)

donde E es la energía total, y p es el momento lineal. Del mismo modo, la velocidad de grupo, vg, de una onda de materia puede ser expresada como la derivada de E respecto a p

\displaystyle  v_g = \frac{dE}{dp}  (2)

esta última ecuación puede ser identificada con la velocidad relativa v del cuerpo que tiene asociada esa onda de materia, v = vg.

En Relatividad Galileana Completa, la energía total E es

\displaystyle  E = mc^2 \cosh \left(\frac{v}{c}\right)  (3)

y también en Relatividad Galileana Completa, el momento lineal es,

\displaystyle  p = mc \sinh \left(\frac{v}{c}\right)  (4)

Por lo tanto, podemos calcular (2) asi,

\displaystyle  v_g = \cfrac{dE}{dp}= \cfrac{mc^2\sinh(v/c)}{mc\cosh(v/c)} =  c\tanh \left (\frac{v}{c}\right )  (5)

y también

\displaystyle  c_p = \cfrac{E}{p}= \cfrac{mc^2\cosh(v/c)}{mc\sinh(v/c)} =  c\coth \left (\frac{v}{c}\right )  (6)

Por lo tanto, la relación entre el momento lineal y la energía total es,

\displaystyle  E^2 = (mc^2)^2 + (pc)^2  (7)

De las propiedades de las funciones hiperbólicas sabemos que

\displaystyle  \cosh(x)= 2\ \sinh^2(\frac{x}{2}) + 1  (8)

por lo que la ecuación (3), puede ser expresada así

\displaystyle  E = mc^2\cosh(v/c)= mc^2\left( 2\ \sinh^2 \left(\frac{v}{2c}\right) + 1\right) \\ \\ \\  E = mc^2 + 2mc^2 \sinh^2 \left(\frac{v}{2c}\right)  (9)

Si ahora definimos

\displaystyle  q= mc\sinh\left( \frac{v}{2c}\right)  (10)

como el momento de ese cuerpo de masa m moviéndose a la mitad de su velocidad, v/2, tendremos

\displaystyle  E = mc^2 + 2\cfrac{q^2}{m}  (11)

Por lo tanto, si igualamos con (7), tendremos

\displaystyle  \sqrt{(mc^2)^2 + (pc)^2} = mc^2 + \frac{2\ q^2}{m}  (12)

lo cual significa que la energía cinética es

\displaystyle  E_k =\cfrac{2\ q^2}{m}  (13)
Si cuantizamos (11) obtenemos,

\displaystyle  i \hbar \frac{\partial}{\partial t}\psi = mc^2 \psi + \cfrac{2\mathbf{q}^2}{m}\psi   (14)

donde obviamente q es el operador momento en semi-velocidad.

Saludos

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Demostración fehaciente de que la velocidad de la gravedad es más de diez mil veces la velocidad de la luz

Posted by Albert Zotkin en marzo 8, 2013

Ya dije en un antiguo post aquí que en la mecánica clásica existen referencias implícitas a fenómenos cuánticos.

Para la demostración necesitamos la siguiente interpretación de la mecánica cuántica:

la gravedad es un fenómeno no local cuántico que puede ser visto como un entrelazamiento cuántico de partículas con masa, de modo que cuando la función de onda colapsa se generan instantaneamente dos fuerzas distantes de igual magnitud pero opuestas en dirección. El colapso de la función de onda produce un nuevo entrelazamiento, y su función de onda asociada colapsará igualmente al cabo de cierto tiempo finito no nulo

¿Qué quiere decir esto?. Esto significa que aunque, la emergencia de las dos fuerzas gravitacionales opuestas, de igual magnitud, es instantánea, el proceso por el cual la función de onda asociada culmina en colapso no es un proceso instantáneo, sino que requiere cierto tiempo finito de propagación. Dicha propagación debe ser identificada con lo que se viene llamando la velocidad de la gravedad, la cual no es más que la velocidad de fase de una onda de materia (onda de De Broglie).

Desde esta interpretación de la mecánica cuántica, podemos expresar, por ejemplo, el potencial gravitatorio clásico V de la siguiente forma:

\displaystyle  V= -\cfrac{G\ M}{r}= -\cfrac{c^4}{c_p^2}  (1)
donde cp es la velocidad de la gravedad, y c es la velocidad de la luz en el vacio. Y si ahora recordamos la frecuencia de una onda de De Broglie y su longitud de onda podemos obtener la siguiente ecuación de dispersión:

\displaystyle  v\ c_p = c^2  (2)
donde obviamente v es la velocidad relativa entre las dos partículas masivas que estan interactuando gravitacionalmente.

Veamos ahora un caso particular del problema de dos cuerpos. Este caso será el del sistema Sol-Tierra. Aplicaremos la ecuación (1) para hallar el potencial gravitatorio de la Tierra en el campo gravitatorio del Sol. Una vez calculado dicho potencial V, usaremos los siguiente datos para el cálculo de cp:

\displaystyle    V = -886.205 \ \mathrm{km^2/s^2} \\ \\  c =  299792.458 \ \mathrm{km/s}           (3)

y el sencillo cálculo es como sigue:

\displaystyle  c_p = \frac{c^2}{\sqrt{-V}}  \\ \\ \\  c_p = \mathrm{3.01908 \times  10^9 \ km/s} \\  \\  c_p = 10070.6 \ c  (4)
Con lo cual queda demostrado fehacientemente que la velocidad de la gravedad es más de diez mil veces la velocidad de la luz.


Apéndice 1:
Parece ser que este pequeño post ha suscitado algunas colisiones con lo políticamente correcto. Es más que obvio que lo escrito por mí en este blog no está para sumar alabanzas a la ciencia oficial de lo políticamente correcto. Si mi puesto de trabajo dependiera de si hago o no una retractación de mis ideas (hipótesis) entonces estaría en el reino de los mainstreamófilos, pero ese no es mi reino ni mi caso. Dicho esto, paso a refrescar nuestra memoria sobre algunas nociones básicas respecto a la velocidad de fase y velocidad de grupo de una onda de De Broglie:

Una velocidad de fase de De Broglie, cp de un cuerpo de masa m es:

\displaystyle c_p = \cfrac{E}{p} (5)
donde E es su energía total y p es su momento lineal. Por ahora, no voy a entrar al trapo de usar una teoría concreta (por ejemplo la relatividad especial Einsteniana) para explicitar la energía total en función de la velocidad relativa y la masa del cuerpo en cuestión. Y no entro ahora a ese trapo porque es irrelevante de momento qué teoría se use para el propósito que aquí se considera.
Por otro lado la velocidad de grupo, v, de De Broglie es:

\displaystyle v= \cfrac{dE}{dp} (6)

Es decir, v es la derivada completa de E respecto de p.

Ahora alguien puede alegar que la velocidad de fase de De Broglie cp no es ninguna velocidad de la gravedad, y tal alegación sería muy políticamente correcta. En cambio, afirmar que cp es efectivamente lo que se viene llamando velocidad de la gravedad sí que es una hipótesis maravillosamente incorrecta políticamente, y por lo tanto muy fructífera.
Veamos ahora cómo se obtiene la ecuación de dispersión de De Broglie. Multiplicamos (5) y (6), para obtener:

\displaystyle v c_p = \cfrac{E}{p} \ \cfrac{dE}{dp} (7)
Lo extraordinario de la ecuación (7) es que toda teoría que pretenda predecir correctamente fenómenos de dispersión debe dar como resultado el siguiente:

\displaystyle v c_p = \cfrac{E}{p} \ \cfrac{dE}{dp} = c^2 (8)
Ahora entraré al trapo: veamos por ejemplo en el contexto de la Relatividad Galileana Completa , donde la energía total se expresa como E = m c^2 \cosh (v/c) y el momento lineal como p = mc \sin(v/c). Por lo tanto la velocidad de fase de De Broglie será:

\displaystyle c_p = \cfrac{E}{p} = \cfrac{m c^2 \cosh(v/c)}{m c\sinh(v/c)} = c \ \coth(v/c) (9)

y la velocidad de grupo sería:

\displaystyle v_g = \cfrac{dE}{dp} = \cfrac{m c^2 \sinh(v/c)}{m c\cosh(v/c)} = c \ \tanh(v/c) (10)

Por lo tanto en esta teoría la ecuación de dispersión resulta ser:

\displaystyle v_g c_p = c^2 (11)
indicando cláramente que vg no es la velocidad relativa v del cuerpo, sino otra cosa.
Entremos ahora al trapo de la relatividad especial. En esta teoría, la velocidad de fase de una onda De Broglie quedaría así:

\displaystyle c_p = \cfrac{E}{p} = \cfrac{m c^2 \gamma}{m v \gamma} = \cfrac{c^2}{v} (12)

Y la velocidad de grupo sería:

\displaystyle v_g = \cfrac{dE}{dp} = \cfrac{m v \gamma }{m \gamma} =v (13)
Vemos con extrañeza que en la teoría de la relatividad especial la velocidad de grupo, vg de una onda de De Broglie coincide con la velocidad del cuerpo que tiene asociada esa onda. En cambio en la teoría de la relatividad Galileana Completa no existe tal coincidencia. Por lo tanto el experimento para discriminar entre una y otra reside básicamente en discriminar entre estas dos expresiones:

\displaystyle \sinh  \tfrac{v}{c} (14)
\displaystyle \cfrac{1}{ \sqrt{ \frac{c^2}{v^2}-1}}  (15)

O lo que es lo mismo, el momento lineal en relatividad especial se expresa así:

\displaystyle p =  \cfrac{m c}{ \sqrt{ \frac{c^2}{v^2}-1}}  (16)

mientras que la relatividad Galileana nos dice que ese momento lineal es:

\displaystyle p = m c \sinh(\tfrac{v}{c})  (17)

Apéndice 2:
Al lanzar la hipótesis de que la velocidad de la gravedad es precisamente la velocidad de fase de la onda de De Broglie asociada cada uno de los cuerpos del sistema gravitatorio estamos reinterpretando la mecánica cuántica. La primera evidencia que podemos señalar es que la luz posee aberración, mientras que la gravedad carece de aberración o los instrumentos de medida actuales son incapaces de apreciar alguna. ¿Qué significa que la luz tiene aberración y la gravedad no?. Parece indudable el hecho de que la luz tarda unos 8.3 minutos en llegar a la Tierra desde el Sol. Cuando vemos el sol en su posición aparente, en realidad está situado en una posición real avanzada de unos 20 segundos de arco. O sea, cuando transcurran esos 8.3 minutos, la posición aparente coincidirá con lo que ahora es su posición real. Y eso es equivalente a decir que la velocidad de la gravedad en el sistema Sol-Tierra es cp = 10070.6 c. Supongamos que el Sol es agitado por alguna fuerza titánica. ¿Cuánto tiempo tardará ese perturbación gravitatoria en ser sentida por los sismógrafos situados en el planeta Tierra?. Los que creen que los cambios gravitatorios se propagan a la velocidad de la luz responderán que dicha perturbación será sentida al cabo de 8.3 minutos, mientras que los que abrazamos la hipótesis de la variable oculta cp responderemos que tardará sólo unas 50 milésimas de segundo. O lo que es lo mismo, si esa sacudida fuera debida a que el Sol explotó como una supernova, la Tierra sería reventada por la onda acústica (onda gravitacional) en menos de 50 milésimas de segundo y después, al cabo de 8.3 minutos, sería abrasada por los rayos gamma de la supernova.

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