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Negacionismo del Big Bang, ¿qué es el tiempo?, elongación espacio temporal o mengua matérica universal

Posted by Albert Zotkin en octubre 6, 2016

Dicen que nuestro universo se expande. Peor aún, dicen que se expande aceleradamente, y nos muestran las evidencias. A menudo, en física y otras disciplinas, no sólo científicas, las evidencias son sólo interpretaciones o medias verdades. ¿Hacia dónde se expande nuestro universo?. Como la respuesta a eso es simplemente “hacia ningún sitio”, y como pretenden mantener como cierta la afirmación de que el universo se expande aceleradamente, sólo les queda argumentar que lo que se expande realmente es el espacio-tiempo, por lo que la materia que se encuentra enclavada en él formando cúmulos está en proceso de recesión relativa. Por lo tanto, la elongación espacio-temporal parece ser un hecho irrefutable, pero no, no es irrefutable. Ese supuesto hecho se basa en el desplazamiento hacia el rojo de las rayas espectrales de la luz de galaxias y cúmulos de galaxias que nos está llegando. Ese desplazamiento al rojo se interpreta como si fuera un efecto Doppler, y por lo tanto, se interpreta que existe una velocidad de recesión de cada galaxia que es aproximada y directamente proporcional a la distancia. Pero a mi me surgen muchas dudas sobre todas esas afirmaciones. La primera es si es cierto que el espacio-tiempo se expande y de forma acelerada ¿por qué han de separarse unas de otras las partículas materiales?. O dicho de otra forma. ¿Dónde y qué clase de ancla tiene cada partícula material clavada en ese espacio-tiempo para que sea arrastrada con su expansión?. Alguien puede argumentar con el ejemplo de un gas dentro de un recipiente. Si el recipiente se expande el gas se expande con él, enfriándose y disminuyendo su presión. Pero yo puedo argumentar también que ese gas se expande acompañando al recipiente porque las partículas de ese gas impactan y rebotan continuamente en las paredes del recipiente. Las partículas del gas intercambian calor continuamente con las paredes del recipiente. Pero, ¿dónde están las paredes de nuestro universo?, o peor aún, ¿alguien ha visto alguna vez que las galaxias reboten contra unas supuestas paredes universales?. Nuestro universo no posee bordes materiales, fronteras, barreras sobre las que impactar, colisionar. Parece ser un universo infinito espacial y temporalmente, por lo tanto, cualquier supuesta expansión del espacio-tiempo no arrastraría materia, no puede haber anclaje de la materia en el espacio-tiempo. Cuando matemáticamente sumas a infinito cualquier número real, sigue dando infinito.

big-bang-camelo

Esta reflexión nos lleva inexorablemente a la pregunta: ¿qué es el tiempo?. El tiempo es simplemente el método que utiliza nuestro cerebro para ordenar nuestras experiencias en la memoria. El tiempo es la acción de un librero numerando las páginas del libro de nuestra vida. Objetivamente, el tiempo no existe. En la naturaleza sólo hay presente, y no hay ni futuro ni pasado. Por esa razón los viajes en el tiempo (como los de las pelis de ciencia-ficción) son realmente imposibles. No se puede viajar a un tiempo futuro por la sencilla razón de que no se puede viajar hacia algo que aún no existe. Igualmente, no se puede viajar a un tiempo pasado por la sencilla razón de que ese tiempo pasado no existe. Evidentemente si pudieras viajar a un tiempo pasado te encontrarías con una duplicación de materia, salida de la nada. Pero no hay atajos ni caminos por los que pueda transcurrir la materia hacia tiempos pasados o futuros. Cuando los físicos teóricos actuales entiendan mejor qué es el tiempo y por qué el tiempo no es sólo esa cosa que miden los relojes, estarán en mejores condiciones de elaborar teorías más certeras sobre la naturaleza. Otra característica que define al tiempo es su inexorabilidad: dime cualquier fecha en el pasado y siempre es imaginable saber que esa fecha ocurrió realmente. Dime cualquier fecha en el futuro y te puedo asegurar que esa fecha llegará. Es como el juego de escribir un número real, siempre podemos escribir otro número real mayor o menor que ese. O al escribir dos números reales, siempre podemos encontrar otro distinto entre ambos. Por lo tanto, el tiempo es cuantificable, y para ello usamos los relojes.

Respecto a la pregunta ¿qué es el espacio?, cabe responder de una forma muy análoga a como lo hemos hecho con el tiempo. Pero el espacio no se nos presenta como el tiempo. Nuestros cerebros no ven al espacio como algo que transcurre, sino literalmenete como un recipiente donde están las cosas que percibimos. El tiempo pasa (siempre hay tiempo pasando, nunca se acaba), el espacio permanece. Percibimos el tiempo como algo dinámico y al espacio como algo estático. Pero ambas cosas son productos imprescindibles para ordenar nuestra experiencia.

¿Por qué percibimos el espacio como poseyendo tres dimensiones?. Cuando algunos físicos teóricos nos hablan de otras dimensiones espaciales extra, además de las tres clásicas (ancho, alto y profundo), para esconder su falta de evidencia científica, nos cuentan que esas dimensiones están como enrolladas sobre sí mismas, plegadas microscópicamente y por eso no podemos verlas. Todos sabíamos desde el principio, porque lo aprendimos bien, que lo que caracteriza a un sistema espacial de referencia es la ortogonalidad de sus ejes. Si una dimensión está plegada, retorcida microscópicamente, creo yo que no es una buena opción para un sistema espacial de referencia, porque ese “enrollamiento” no es precisamente la mejor definición de ortogonalidad. Evidentemente, nuestro espacio puede ser descrito matemáticamente mediante muchos ejes (no sólo tres) que no sean ortogonales, pero todos pueden ser reducidos a tres ejes ortogonales desde los que nuestras ecuaciones se simplifican drásticamente para describir lo mismo con igual éxito. El espacio que percibimos posee infinitas direcciones desde las que nos puede llegar el peligro o la salvación. Son infinitas direcciones por las que podemos huir del peligro, o estar alerta, por las que nos puede llegar el depredador a cazarnos. Nuestras tres dimensiones espaciales tienen mucho más que ver con las características de nuestro cerebro (de nuestra mente), que de algo externo. Nuestros antecesores, simios arborícolas, vivían casi todo el día encaramados a sus ramas, y el alimento lo conseguían desplazándose de rama en rama, al mismo tiempo que miraban en todas direcciones para estar alerta de los acechadores. Nuestro sentido de la vista es capaz de percibir con tres colores básicos de los que se derivan todos los demás. Eso es así por evolución natural. Nuestros parientes ancestrales necesitaban distinguir qué fruta estaba madura por su color, qué alimento era aparentemente comestible por su color y cual no. Del mismo modo que nuestro cerebro y nuestros órganos sensoriales han evolucionado para percibir todos los colores de las cosas que pueden ser expresados mediante esos tres colores básicos, una evolución similar se ha producido para percibir lo que llamamos el espacio. Al igual que los tres colores básicos desde los que podemos percibir cualquier otro color, nuestro cerebro percibe el espacio desde tres direcciones básicas, y cualquier otra dirección puede ser expresada mediante ellas. Así pues, cuando nos preguntamos por qué tres dimensiones espaciales, hay que preguntarse por qué tres colores básicos, y la respuesta es más de fisiología humana que de física universal.

El llamado espacio-tiempo, es pues un constructo, algo más teórico que real. Nuestro cerebro casa muy mal el espacio y el tiempo como un espacio de cuadro dimensiones. Nuestro cerebro no admite como muy natural que el tiempo sea un eje más como los otros tres ejes espaciales. Notamos muy bien qué es intuitivamente el tiempo, y por qué no puede ser una dimensión espacial más. La flecha del tiempo es algo muy subjetivo. El futuro es algo que aún no existe y por lo tanto no puede ser apuntado por ninguna fecha con certeza. El pasado es algo que ya no existe, y por lo tanto ninguna flecha pudo apuntar con certeza hacia nuestro presente.

Y por ultimo. ¿Qué hacemos con el Big Bang?. Puesto que toda la evidencia nos viene de supuestos desplazamientos al rojo de lineas espectrales, y que los santones del paradigma cosmológico actual se han encargado de darnos de comer ese fenómeno como si fuera un efecto Doppler cosmológico, lo que tenemos es un universo en creciente estampida. Pero si pensamos un poquito vemos, que ese efecto Doppler, que también se da en las diferencias de potencial gravitatorio, es simplemente algo relativo, de perspectiva, de horizonte, más que ningún supuesto Big Bang. La distancia a escala cosmológica produce sencillamente una diferencia de potencial gravitatorio, pero esa diferencia de potencial no significa ninguna expansión ni ningún alejamiento de las galaxias. Toda la materia permanecería esencialmente estática en nuestro universo, y lo único que cabría explicar es ¿por qué la distancia cosmológica produce diferencias relativas de potencial gravitatorio?. Cuando dibujamos la gráfica de un potencial gravitatorio producido por una masa puntal, lo solemos hacer como una curva en forma de campana invertida cuyos bordes se aproximan infinitamente hacia un eje horizontal, el cual marca un potencial nulo (potencial cero). Es decir, ese potencial es una curva gaussiana invertida, que posee valores negativos, y que se hacen menos negativos a medida que se aproximan al eje horizontal de potencial cero. Pero a escala cosmológica, esa linea de potencial cero podría ser más un arco de circunferencia que una recta real, por lo que además de las diferencias locales de potencial debido a la presencia cercana de materia, existirían diferencias relativas de potencial gravitatorio debido a la distancia.

Supongamos que un Radio de Hubble, es la mayor distancia cosmológica de la que nos puede llegar luz. Existe pues un horizonte cósmico, que podemos cuantificar de la siguiente forma: Supongamos que el potencial cosmológico es la superficie lisa de una esfera, y que los potenciales gravitatorios locales son pequeños montículos que destacan sobre esa superficie. Cuando nos situamos en un montículo se crea un horizonte desde el cual podemos percibir luz procedente de puntos de otros montículos. Si nos situamos en un punto de la superficie el radio de nuestro horizonte se reduce, y solo podremos ver luz procedente de montículos muy promimentes y cercanos. Pero, si nos situamos en una montaña de potencial local muy grande, nuestro horizonte para ver luz será muy grande. Esto resuelve la Paradoja de Olbers. En otras palabras, vemos el número de estrellas y galaxias que vemos por nuestra posición peculiar dentro de nuestra galaxia. Si estuvíéramos en una región remota, muy alejada de cúmulos grandes de materia, como son las galaxias, es decir, en una región muy cercana al potencial cero, veríamos muy pocas estrellas y galaxias en el cielo, menos de las que somos capaces de ver, porque nuestro horizonte observacional sería mas reducido.

Esto significaría que cuanto más cercanos estamos de una gran masa nuestro horizonte cósmico (observacional) será mas grande. Así, nuestra distancia al nuestro horizonte será:

\displaystyle  d={\sqrt {(R+h)^{2}-R^{2}}} \\ \\  s=R\arccos {R \over R+h} (1)
donde R el radio de Hubble, h nuestra altura local de potencial gravitatorio, s la distancia real al punto H, d la distancia tangencial que recorre la luz.

Figura 1

Figura 1

Esto significa que, según esta teoría del potencial cosmológico, que me estoy inventando, no sólo existe por la misma linea de vision el punto H del horizonte, sino otros más remotos, H1, H2, etc, si están situados sobre potenciales gravitatorios de cierta altura.

Luego en una esfera universal, sin defectos topológicos (como los campos gravitatorios locales), el potencial de deriva cósmica vendrá expresado por la ecuación:

\displaystyle  \phi (r) = c^2  \left (1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}}\right ) \\ \\   (2)

cuya gráfica es la siguiente:
hemi-circle

Obviamente, si r es muy pequeña respecto a R, ese potencial de deriva cósmica se reduce a cero. Y cuando r tiende a R, el potencial φ tiende a c². En un campo de potencial gravitatorio local, los valores son escalares negativos que crecen con la distancia hacia cero. Pero, en el campo de potencial de deriva cósmica los valores escalares son positivos y tienden con la distancia r hacia el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío.

Desde esa expresión explicita de potencial de deriva cósmica es fácil descubrir que el desplazamiento al rojo de las rayas espectrales de la luz de galaxias remotas es el siguiente:

\displaystyle  z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda} = \exp\left( \frac{\phi (r)}{c^2}\right) -1 (3)
donde λ es la longitud de onda original (emitida), y Δλ es la diferencia entre la longitud de onda observada y la emitida. Y si queremos expresar la distancia r en función del desplazamiento al rojo z y del radio de Hubble, tendremos:

\displaystyle  z+1= \exp\left( 1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}}\right) \\ \\ \\  \ln (z+1)=  1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}} \\ \\ \\
\displaystyle  r = R\sqrt{2\ln (z+1)-\ln^2 (z+1) } (4)
Esto cambia drásticamente las distancias estándar calculadas hasta ahora para las galaxias y cúmulos remotos. Por ejemplo, se ha observado que los desplazamientos al rojo más grandes corresponden a unos extraños objetos remotos que se llaman cuásares. Estos extraños objetos nos ofrecen desplazamientos al rojo que van de z = 0.16 hasta z = 3.53. Lo cual, según mi hipótesis, implica distancias entre r = 0.524R y r = 0.875R.

Mi hipótesis tiene una serie de ventajas frente a las teorías del Modelo Cosmológico Estándar. En mi hipótesis:

  1. No existe recesión de galaxias y demás objetos remotos, sino que permanecen esencialmente en reposo. Ese desplazamiento al rojo se debe casi en su mayoría a la diferencia de potencial de la deriva cósmica. Después hay que sumar o restar otros efectos Doppler, debidos a potenciales gravitatorios locales, y/o a velocidades cinemáticas.
  2. La localización de la fuente emisora y la del observador en sus respectivos potenciales gravitatorios locales contribuyen al efecto de desplazamiento al rojo, ya que hay que calcular sobre la diferencia neta de potencial (sumando y/o restando potenciales locales y cinemáticos al potencial cosmológico).
  3. La Radiación de fondo de Microondas sería según mi hipótesis vulgares fotones emitidos mayoritariamente por átomos de hidrógeno procedentes de galaxias y cúmulos en el horizonte H, incluso más allá de él, en una franja cercana. Es decir de puntos H1, H2, etc, tal como los he dibujado en la figura 1.
  4. Los cuásares serían, ni más ni menos que galaxias y cúmulos con alta acumulación de materia y muy cercanos al horizonte cósmico H, pero dentro (no fuera) de la esfera de Hubble.
Por lo tanto, según mi hipótesis cosmológica, nuestro universo observable sería tan sólo un hemisferio de la gran esfera cósmica, esfera universal (no confundir con la esfera de Hubble), que tendría cuatro dimensiones espaciales. El otro hemisferio quedaría inaccesible, en su mayor parte, a nuestra observación de ondas electromagnéticas. Esa cuarta dimensión espacial es sobre la que se curva la linea de potencial cero. Es decir, nuestro universo (el observable y el no observable) sería simplemente la superficie de una hiperesfera de cuatro dimensiones espaciales.

figura 2 (Esfera universal)

Figura 2 (Esfera universal)

Si queremos traducir los potenciales a velocidades de recesión o viceversa debemos establecer la siguiente equivalencia, la cual es posible porque se usan coordenadas cosmológicas:

\displaystyle   \exp\left( \frac{v}{c}\right) =z+1= \exp\left( 1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}}\right) \\ \\ \\   \frac{v}{c}=\ln (z+1)=  1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}} \\ \\ \\
\displaystyle   v =c \ln (z+1) =  c \left(1-\sqrt {1- \frac{r^2}{R^2}}\right) \\ \\ \\ (5)
Por ejemplo. Se observó que la galaxia 8C1435+635 posee un corrrimento al rojo de z = 4.25, que es el más grande que se ha conseguido ver hasta ahora. Así desde el Modelo Estándar, ese desplazamiento correspondería a una velocidad de recesión de v = 0.93c. Pero, si usamos las coordenadas cosmológicas tenemos una velocidad de recesión de:

\displaystyle   v = c \ln (z+1) = = c \ln (5.25) = 1.70475 c (6)
es decir, una velocidad superlumínica. Y en terminos de diferencia de potencial cosmológico tendriamos:

\displaystyle  \Delta\phi = c^2\ln(z+1) = 1.70475 c^2 (7)
Por lo que esta lejana galaxía estaría algo más allá de nuestro horizonte cósmico. Pero nuestros telescopios la pueden ver porque es una gran acumulación de materia, ya que su altura de potencial gravitatorio sobresaldría un poco por encima de nuestro horizonte cósmico. Toda galaxia o cúmulo más allá de nuestro horizonte que no posea suficiente altura de potencial para destacar, sino que estuviera a ras de él. solo puede ser vista como formando parte de la Radiacíón Cósmica de Fondo. Esto significa que cuando una fuente emisora de luz cercana al horizonte posee poca altura de potencial, no sólo su luz nos llegaría con desplazamiento al rojo, sino con poca intensidad (pocos fotones), y cuanto más grande sea su potencial gravitatorio local más intensa veremos su luz y bien diferenciada del ruido de fondo cósmico.

Saludos

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Un atajo en nuestro viaje interestelar a Alfa Centari

Posted by Albert Zotkin en junio 6, 2016

Hola amigos incondicionales de Tardígrados. Aviso, como siempre, que lo que sigue no debe ser tomado como astrofísica oficial, que puedas encontrar en un libro de texto o en algún ensayo científico del mainstream. Lo que sigue son sólo elucubraciones mias, (elucubración según la tercera acepción de la RAE, que dice: “trabajar velando y con aplicación e intensidad en obras de ingenio.“) 😛

alfa-centauri

Estos días he estado pensando sobre las distancias que hay ahi afuera, hacia los objetos del espacio profundo, como estrellas, galaxias, nebulosas, cuásares, etc. Me he estado preguntado si tales distancias, que la astrofísica actual nos dice que son inmensas, son realmente tan largas o si por alguna otra explicación, distinta a la oficial, podrían ser significativamente más cortas. La conclusión a la que llegué es que sí. Por ejemplo, la astrofísica oficial nos informa de que la distancia al sistema estelar más próximo a nosotros, que es Alfa Centauri (Rigil Kentaurus), es de 4,37 años-luz, es decir, 41,3 billones de kilómetros. Y para que nos hagamos una idea de lo inmensa que es esa distancia, una sonda espacial como la Pioneer 11, la cual está escapando del sistema solar a una velocidad de 40.960 km/h, si su dirección fuera hacia Alfa Centauri (que no lo es), llegaría en unos 115 mil años. Pero, esa distancia podría ser significativamente menor si descubrimos de qué forma la luz nos engaña. En este pequeño artículo que estoy escribiendo razonaré que nuestra distancia a Alfa Centauri no sería de 4,37 años-luz, sino de tan sólo 32 días-luz. Eso significaría que si podemos disponer de un cohete que acelerase en linea recta con una aceleración de 1 g (que son 9,8 m/s²) durante 1 año, alcanzaría ese sistema estelar con una velocidad final cercana a la de la luz y en poco menos de 2 años. Pero, alguien dirá que la distancia a Alfa centauri está más que comprobada por diferentes métodos, el principal de ellos es el del paralaje estelar. Ya he dicho que la luz puede que nos esté engañando y el efecto llamado paralaje podría ser uno más de sus engaños cuando consideramos distancias interestelares.
Alfa Centauri es básicamente un sistema binario de una estrella enana amarilla (Alfa Centauri A) y una enana naranja (Alfa Centauri B). Pero, existe otra estrella que orbita alrededor de ese sistema binario, aunque muy alejada. Es una enana roja llamada Próxima Centauri. Es decir, ese sistema estelar está formado en realidad por tres estrellas enanas. Al ser un sistema de tres cuerpos, los posibles exoplanetas que orbiten en él podrían poseer órbitas poco estables. Eso nos hace pensar que posiblemente haya pocos exoplanetas allí.
Pero, vayamos al grano. Voy a definir el espacio por donde se mueve la materia, en contraposición al espacio por donde se propagan las ondas electromagnéticas, de la siguiente forma:
Sea φ el potencial gravitatorio del sistema solar (o de cualquier otro sistema material). Sabemos que el potencial gravitatorio posee dimensiones de una velocidad al cuadrado. Por lo tanto si dividimos ese potencial por una aceleración constante a0, obtenemos una distancia. Es decir, hemos expresado el potencial gravitatorio como si fuera una distancia:

\displaystyle p(r) = \cfrac{\phi(r)}{a_0}

donde la variable r es una distancia estándar en el espacio electromagnético, y p(r) es la nueva distancia en el espacio de las ondas de materia, como función de la anterior.

Pero, lo que queremos es calcular una longitud, un intervalo de esa curva de potencial. Así, aplicamos una integral definida en el intervalo (x1, x2) que deseemos:

\displaystyle s(r) = \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{1 + \left ( p'( r ) \right )^2 } \, dr = \\ \\ \\ =\int_{x_1}^{x_2} \sqrt{1 + \left ( \cfrac{\phi'( r )}{a_0} \right ) ^2} \, dr

donde φ‘(r) es la derivada del potencial respecto a r. Pero esa derivada es precisamente la intensidad gravitatoria del campo, que posee dimensiones de una aceleración, a:

\displaystyle a = \phi'( r )

Por lo que, lo que hay dentro de nuestra raíz cuadrada es adimensional:

\displaystyle s(r) = \int_{x_1}^{x_2} \sqrt{1 + \left (\cfrac{a}{a_0} \right )^2} \, dr

Ahora hablemos un poco de la constante a0. Esta constante aparece en la Teoría MOND y fue hallada por su autor, Mordehai Milgrom en 1983. El valor numérico es :

\displaystyle a_0 =\frac{c^2}{R_h}= 1.2 \times 10^{-10} \ \text{m s}^{-2}

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, y Rh, es el radio de Hubble, es decir, el radio de nuestro universo observable.

estand

Esta teoría MOND usa una función de interpolación, la cual es una función de la aceleración a y de la constante a0. Esa función de interpolación se llama μ, y una de sus formas estándar es la siguiente:

\displaystyle \mu \left(\frac{a}{a_0}\right)=\cfrac{1}{\sqrt{1+\left(\frac{a_0}{a}\right)^2}}

Esta función μ se usa para los casos limite en que la aceleración a es mucho mayor que a0, o cuando es mucho menor que ella. Es decir, la interpolación es que, para todo valor real positivo de x, μ (x) → x, cuando x << 1, y μ (x) → 1, cuando x >> 1. Además, es fácil ver que esa función de interpolación estándar de arriba, se puede expresar también así:

\displaystyle \mu \left(\frac{a}{a_0}\right)=\cfrac{\frac{a}{a_0}}{\sqrt{1+\left(\frac{a}{a_0}\right)^2}}

Con lo cual nuestra integral definida puede ser expresada de la siguiente forma

\displaystyle s(r) = \int_{x_1}^{x_2} \cfrac{\frac{a}{a_0}} {\mu \left(\frac{a}{a_0}\right)}  \, dr

Esta última expresión nos da la clave para entender nuestro cálculo. Así, para un régimen MOND donde la aceleración a es mucho menor que la constante a0, tendremos que la función de interpolación sería μ (x) = x, y nuestra integral definida se simplificaría y se resolvería así:

\displaystyle s(r) = \int_{x_1}^{x_2} \cfrac{\frac{a}{a_0}} {\frac{a}{a_0}}  \, dr = \\ \\ \\ s(r) = \int_{x_1}^{x_2}  \, dr = x_2-x_1

lo cual quiere decir que en ese régimen extremo de MOND, con a << a0, nuestra distancia electromagnética coincidiría con nuestra distancia matérica. Resulta interesante destacar que precisamente en esas regiones donde las distancias de ambos espacios coinciden, la física actual presupone en ellas la existencia de materia oscura. Básicamente, esas regiones se sitúan en los halos de las galaxias y en los bordes de los cúmulos galácticos. Pero, ¿qué ocurriría en un régimen MOND donde a >> a0, con la función de interpolación simplificandose a μ (x) = 1?. Pues que nuestra integral definida quedaría así:

\displaystyle s(r) = \int_{x_1}^{x_2} \cfrac{a}{a_0}   \, dr

Pero, la integral de la aceleración gravitatoria es precisamente nuestro potencial gravitatorio inicial. Por lo que la solución a esta última integral definida sería precisamente la siguiente diferencia de potencial:

\displaystyle s(r) = p(x_2)- p(x_1)= \\ \\ \\  = \frac{1}{a_0}\left (\phi(x_2)-\phi(x_1)\right)

Ahora podemos hacer fácilmente nuestro cálculo de la distancia matérica entre el sistema solar y Alfa Centauri, si usamos el potencial gravitacional Newtoniano como la mejor aproximación. El intervalo de distancia matérica a calcular será el siguiente:

\displaystyle s=2(s_2 - s_1) = \cfrac{2 G M_s}{a_0} \left(\cfrac{1}{x_1}-\cfrac{1}{x_2}\right)

Hemos multiplicado por 2, ya que se asume que la masa del sistema Alfa Centauri es aproximadamente la misma que la del sistema solar

\displaystyle M_s = 2 \times 10^{30}  Kg, masa del Sol,
\displaystyle G = 6.67428 \times 10^{-11}  m3 Kg-1 s-2, constante gravitacional,
\displaystyle a_0 = 1.2 \times 10^{-10}  m s2, constante de aceleración MOND
\displaystyle x_2 = 2.067173 \times 10^{16}  m, distancia estándar de 2.185 años-luz
\displaystyle x_1 = 1.49 \times 10^{9}  m, distancia estándar de 1 UA

Con estos dato, nuestro cálculo daría:

\displaystyle s = 2.05005 \times 10^{18} \; \text{m}\;= 216,7 \; \text{a\~nos-luz}

es decir, obtenemos una distancia mucho mayor que la distancia estándar de 4.37 años-luz. Exactamente la ratio es de:

\displaystyle \rho = \frac{s_2-s_1}{x_2-x_1}= \frac{216,7}{4.37}=49.5857

Eso se debería al hecho de que 1 metro en nuestra región local cerca del Sol no sería igual que 1 metro en una región más externa. La ratio anterior nos dice que, 1 metro de una región externa equivale efectivamente a casi 50 metros de nuestra región local cercana al Sol. Por lo tanto, un viaje a Alfa Centauri, que la ciencia actual calcula que tardaría unos 115 mil años a una velocidad de 40960 km/h, según la hipótesis que aquí contemplo, duraría tan sólo unos 2300 años. Igualmente, la velocidad de la luz en esa región externa sería unas 50 veces mayor que la que se supone es una constante universal.

Saludos interestelares a todos 😛

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¿Por qué existen sólo tres generaciones de leptones y quarks?

Posted by Albert Zotkin en agosto 7, 2015

Hola amigos de Tardígrados. Hoy voy a divagar sobre una cuestión aún no resuelta en física de partículas. Los experimentos (observación) nos dicen que sólo existen tres generaciones de quarks y leptones. ¿Por qué sólo tres?. Los quarks de la primera generación son el u (up) y el d (down), y el electrón (e), junto con el neutrino νe (electrón-neutrino) son los leptones de esta primera generación. Los quarks de la segunda generación son el c (charm) y el s (strange), mientras que los leptones de esta generación son el μ y su correspondiente neutrino νμ (muón-neutrino). Y por último, tenemos los quarks de la tercera generación el t (top) y b (bottom), y los leptones τ (tau-leptón) y su correspondiente neutrino ντ. Las masas de las partículas en una generación son siempre mayores que las correspondientes a las de la generación anterior. ¿Por qué ocurre eso?. No se sabe.

Eelementary particles

Esta jerarquía de las masas provoca que las partículas de generaciones más altas decaigan hacia partículas de generaciones más bajas, y esto explica por qué en el mundo ordinario que observamos, la materia esté configurada, en su mayor parte, por partículas de la primera generación. La segunda y tercera generación sólo son observadas excepcionalmente a altas energías (en ambientes con rayos cósmicos, o en colisionadores de partículas). Además, una cuarta generación parece estar descartada definitivamente con una probabilidad del 99.99999% (5.3 sigma). Por lo tanto, el descubrimiento de esa cuarta generación sería un acontecimiento tan fantástico y excepcional que necesitaría muchas y minuciosas comprobaciones teóricas y experimentales antes de darlo definitivamente por sentado. Quizás la naturaleza permita la existencia de quarks y leptones de cuarta o superiores generaciones, pero a tan alta energía y en tan cortos intervalos de tiempo que la tecnología actual nos impide su observación.

Hasta aquí todo lo dicho es información estándar (aunque escasa) de lo que hay sobre el tema. Lo que sigue son divagaciones mias a cerca de cual puede ser la causa de que sólo sea posible observar hasta tres generaciones.

La culpa de todo esto la tiene Don Albertito Einstein Koch, con sus celebérrimas teorías de la relatividad, o más exactamente, para ser algo más justo, la culpa la tienen quienes, a principio del siglo pasado, permitieron que la relatividad Einsteniana se instalara en el corazón de la física teórica, impregnándolo todo de absurdas correcciones relativistas, y fijando para siempre la invarianza de Lorentz como uno de los principios más inamovibles y sólidos de la física. Y es que la relatividad Einsteniana lo reescala todo. Por supuesto, lo primero que re-escala es la energía, por medio de sus formulitas y procedimientos. ¿Por qué re-escala la relatividad especial?. La respuesta es simplemente porque sus postulados son falsos, y para adecuarlo todo a lo observado, a la realidad misma de los fenómenos naturales, necesita usar una serie de ecuaciones y formalismos que lo distorsione todo de tal forma que al final la predicción teórica coincida con gran eficiencia con la realidad observada. Por ejemplo, cuando un postulado dice que la velocidad de la luz es una invariante en todo sistema inercial y que que no puede ser superada por ningún cuerpo con masa, la forma de conciliar esa falsedad con la realidad física es mediante una serie de fórmulas matemáticas que distorsionen el espacio y el tiempo en tal medida que al final obtengamos una predicción teórica indistinguible experimentalmente de la observación. Es decir, para que la relatividad Einsteniana sea verdadera para siempre, la ciencia física necesita crear un dogma, partiendo de unos modelos matemáticos, elevan su esencia de simples modelos para convertirlos en leyes naturales por decreto. Por eso hay mucho científico que cree a pies juntillas que la relatividad Einsteiniana (las dos teorías, la especial y la general) no son modelos inventados por el hombre para describir fenómenos naturales, sino que creen (con una fe religiosa) que son descubrimientos, leyes naturales descubiertas por Don Albertito Einstein Koch. Esa es la razón de que mucha gente se pregunte la absurda pregunta de por qué las leyes naturales están escritas con matemáticas. Cuando niegas que algo sea un invento y lo identificas con un descubrimiento luego pasa lo que pasa, que alucinas creyendo que la naturaleza usa las matemáticas para insuflar en el mundo su evolución conforme a esas ecuaciones “naturales”.

Es más que evidente que las leyes naturales no están escritas con matemáticas, sino que son estas matemáticas el instrumento usado por el científico para crear modelos que se aproximen a las leyes naturales. Cuando alguien cree que una ley natural se expresa mediante unas ecuaciones matemáticas está cometiendo un grave error de apreciación, el cual le puede llevar a callejones sin salida, o, en el peor de los casos, a desastres teoréticos que pongan en peligro el avance científico. ¿Por qué?. Muy sencillo, si alguien cree que una ley natural es matemáticas, entonces analizando exhaustivamente estas fórmulas matemáticas podría descubrir aspectos de esa ley natural que en principio no eran tan evidentes. Es decir, mediante la transformación matemáticas de esas ecuaciones, el científico podría afirmar que existen predicciones que deben de cumplirse si se realizan adecuadamente cierta clase de experimentos. Pero, como digo, una ley natural, nunca es una ecuación matemática, por lo tanto, las predicciones que se puedan extraer de una serie de ecuaciones nunca deben coincidir necesariamente con los efectos que emanan de la ley natural que dichas ecuaciones tratan de modelar. Esto es muy importante tenerlo en cuenta si no quieres ser tontamente engañado por el uso incorrecto del método científico.

Saludos

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Gravitación universal: Resolución de la paradoja de la región lenticular

Posted by Albert Zotkin en febrero 14, 2015

En mi último post (Gravitación universal: Viaje insólito al centro de la Tierra) llegué a afirmar que una masa de pruebas en el interior de una esfera sólida de densidad uniforme sí podría sentir el campo gravitatorio creado por la masa de dicha esfera, contradiciendo así Newtom con su famoso teorema de la cáscara esférica (teorema del shell). Sin embargo, un análisis mas minucioso de dicho teorema nos lleva a concluir que Newton estaba en lo cierto. Veamos cómo Sir Isaac Newton demostró el teorema del shell:

Una de las razones por las que Newton inventó el cálculo infinitesimal fue para poder demostrar que la ley de la gravedad que él descubrió ofrece una aceleración gravitatoria nula dentro de una cáscara esférica para cualquier masa de pruebas, y también demostrar que si la masa de pruebas está fuera de esa cáscara esférica, la aceleración gravitatoria sería la misma que la que ofrecería si toda la masa de la cáscara estuviera situada en su centro.

Decir también que este teorema puede ser derivado desde la ley de Gauss para la gravedad. Empecemos:

TEOREMA DE LA CÁSCARA ESFÉRICA:
La Ley de la Gravitación Universal de Newton que para dos masas puntuales m y M separadas una distancia r la fuerza mutua ejercida sobre cada una de ella será:

\displaystyle  F = \frac{G m M}{r^2}   (1)
donde la constante universal G posee el valor aproximado de

\displaystyle  G \approx 6.67 \times 10^{-11} \mathrm{\ N.m^2/Kg^2}   (2)
A menudo es más útil usar el campo gravitario que genera la masa M,en lugar de la fuerza, así:

\displaystyle  E = \frac{G M}{r^2}   (3)
Si en lugar de una masa puntual tenemos toda esa masa repartida homogéneamente sobre una cáscara esférica, el problema será saber que campo gravitatorio existe en un punto cualquiera dentro y fuera de esa la cáscara. Consideremos que el radio de dicha esfera es R, y situemos una masa de pruebas a la distancia r al centro de dicha esfera.

La densidad de esa cáscara esferica de masa M será:

\displaystyle  \sigma =\frac{M}{4\pi R^2}   (4)
Si ahora descomponemos la cáscara esférica en pequeños anillos, y decimos que la distancia de uno cualquiera de dichos anillos al punto p donde está nuestra masa de pruebas es s, tendremos la siguiente configuración:

fig-1

La masa total del anillo seria entonces

\displaystyle      \begin{aligned}  M_a &=\sigma 2\pi R (\sin\phi) R d\phi \\   &=\frac{1}{2}M (\sin\phi)  d\phi    \end{aligned}     (5)
Seguidamente, nos damos cuenta que toda la masa está a la misma distancia s del punto p. Sin embargo, ya que (por simetría) la dirección del campo es hacia el centro de la esfera, la contribución de este pequeño anillo, tenemos que:

\displaystyle  dE =\frac{G M \cos\theta \sin \phi d\phi}{2s^2} =-\frac{G M \cos\theta d(\cos \phi)}{2s^2}    (6)
Y usando la ley de los cosenos tenemos

\displaystyle  R^2 = s^2+r^2-2rs\cos\theta, \\  s^2= R^2+r^2-2Rr\cos\phi   (7)
por lo que:

\displaystyle  \cos\theta = \frac{s^2+r^2-R^2}{2rs} \\ \\  \cos\phi = \frac{R`2+r^2-s^2}{2Rr} \\ \\  s^2= R^2+r^2-2Rr\cos\phi   (8)
con lo cual:

\displaystyle  -d(\cos\phi)=\frac{s}{Rr}ds.   (9)
y sustituyendo en (6) se obtiene la contribución del pequeño anillo:

\displaystyle  dE =\frac{GM(s^2+r^2-R^2)ds}{4Rr^2s^2}   (10)
Desde esta última ecuación se concluye que el campo gravitacional total inducido por la cáscara esférica sobre la masa de pruebas situada en el punto p es la integral de las contribuciones de todos los anillos:

\displaystyle  \begin{aligned}  E &= \int_{s=r-R}^{s=r+R}dE = \frac{GM}{4Rr^2} \int_{s=r-R}^{s=r+R}\frac{s^2+r^2-R^2}{s^2}ds =\\ \\   &= \frac{GM}{4Rr^2}\left(s+ \frac{R^2-r^2}{s}\right)\biggr\rvert_{r-R}^{r+R}= \frac{GM}{4Rr^2}\; 4R = \frac{GM}{r^2}  \end{aligned}   (11)
y eso probaría la primer aparta del teorema gravitacional de la cáscara esférica de newton. Para probar la segunda parte, es decir que el campo gravitacional dentro de la cáscara esférica es cero, hay que darse cuenta de que la contribución de cada uno de esos anillos es la misma de antes,

fig-2

y lo único que cambia son los límites de integración para s, que ahora son s = Rr y s = R + r. Por lo tanto:

\displaystyle  \begin{aligned}  E &= \int_{s=R-r}^{s=R+r}dE = \frac{GM}{4Rr^2} \int_{s=R-r}^{s=R+r}\frac{s^2+r^2-R^2}{s^2}ds =\\ \\   &= \frac{GM}{4Rr^2}\left(s+ \frac{R^2-r^2}{s}\right)\biggr\rvert_{R-r}^{R+r}= 0  \end{aligned}   (12)
Finalmente, calculamos el campos gravitacional inducido por una esfera sólida y homogénea de masa total M, en un punto cualquiera externo y después para un punto cualquiera del interior. La densidad de dicha esfera sólida sería:

\displaystyle  \mu= \frac{3M}{4\pi R^3}   (13)
Y como antes, sea r la distancia de la masa de pruebas en el punto p al centro de la esfera. Ahora dividamos la esfera en sucesivas cáscaras esféricas concéntricas, cada una con un grosor de dρ y radio ρ, con lo cual la masa de cada una de esas cáscaras sería:

\displaystyle  dM = 4\pi \rho^2 \mu d\rho = \frac{3M \rho^2}{R^3}d\rho.   (14)
Desde la primera parte del teorema de la cáscara de Newton, tenemos que la contribución al campo gravitacional de esa cáscara es:

\displaystyle  dE = \frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho;   (15)
y el campo total lo obtenemos integran todas las cáscaras concéntricas desde 0 hasta R:

\displaystyle  E = \int_0^R dE=\int_0^R\frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho=\frac{GM\rho^3}{r^2R^3}\biggr\rvert_0^R =\frac{GM}{r^2}   (16)
Y para finalizar estas demostraciones de teoremas, si el punto p de nuestra masa de pruebas está en el interior de la esfera homogénea (r < R), entonces según la segunda parte del teorema de newton arriba demostrado, vemos que la contribución al campo gravitacional por las cáscaras concéntricas de radio ρ está definida por

\displaystyle    dE =  \begin{cases}  \frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho & \quad \text{if } 0\leq\rho\leq r, \\  0  & \quad \text{if } r\leq\rho\leq R.\\  \end{cases}  \\ \\ \\    (17)
Por lo tanto, la contribución total al campo es la integral:

\displaystyle  E = \int_0^r dE=\int_0^r\frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho=\frac{GM r^3}{r^2 R^3}   (18)
con lo que vemos que

\displaystyle  M_r = \frac{M r^3}{R^3}
es la masa contenida en el volumen de la esfera de radio r.

Y hasta aquí la demostración del teorema de la cáscara de Newton. He destacado toda la demostración con fondo amarillo, y un párrafo (el que incluye la ecuación #6) lo he destacado especialmente sobre fondo amarillo más intenso para señalar que quizás alguien podría tener dudas de que esa deducción sea correcta. De hecho, si Ma es la masa de uno de eso pequeños anillos, tal y como se expresa en la ecuación (5). Podemos calcular fácilmente que la aceleración de la gravedad, para una masa de pruebas situada sobre el eje central a cierta distancia z del centro del anillo, será:

\displaystyle  E_a = = \frac{G M_a z}{\sqrt{(R^2 + z^2)^3}}  (19)
pero z = s cos φ, y R2 + z2 = s2, por lo que

\displaystyle  E_a =  \frac{G M_a s \cos\phi}{s^3}=  \frac{G M_a \cos\phi}{s^2} \\ \\  \frac{1}{2} \frac{G M (\sin\phi)\cos\theta}{s^2} d\phi=-\frac{G M \cos\theta d(\cos \phi)}{2s^2}   (20)
es la misma ecuación (6).

Para resolver la paradoja de la región lenticular hemos de ver que si esa región es la correspondiente de substraer las masas elementales cuyas fuerzas opuestas en la masa de pruebas se cancelaban totalmente, entonces la masa de la esfera horadada restante, que sigue influyendo gravitacionalmente (sus fuerzas dos a dos no se anulan totalmente), es mayor que la que predice el teorema de la cáscara de newton. La solución a esta aparente anomalía está en ver que la masa de la región lenticular sustraída no es exhaustiva, es decir, es necesaria pero no es suficiente.
Esa región lenticular es sólo la correspondiente a fuerzas que se cancelan totalmente. Pero, aún permanecen en la esfera horadada restante pares de fuerzas que se cancelan sólo parcialmente, y eso implica que las masas elementales respectivas del par no se substraen del volumen totalmente pero deben substraerse parcialmente. Cuando completamos todas esas sustracciones parciales de masa veremos que la masa que permanece corresponde exactamente a la predicha en el teorema de la cáscara de Newton.

Saludos

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Gravitación universal: Viaje insólito al centro de la Tierra

Posted by Albert Zotkin en febrero 6, 2015

En este pequeño artículo voy a calcular cuánto vale la gravedad en un punto cualquiera del interior de un cuerpo esférico y de densidad constante.

Empecemos. Si el radio de dicho cuerpo esférico es R, y un punto p cualquiera de su interior está a la distancia r de su centro, tendremos que si trazamos segmentos de rectas centrados en dicho punto p, hacia todas las direcciones, podremos ir viendo cómo se van anulando pares de fuerzas. Cuando se anula un par de fuerzas, su influencia sobre una partícula de prueba situada en p es nula, y por lo tanto es como si las masas elementales que generan esas dos fueras opuestas no existieran. Estas anulaciones efectivas, dos a dos, produce una especie de oquedad, a modo de un cráter.

Ese hueco gravitacional en la esfera es en realidad el producto de la intersección de otra esfera de igual radio

Esa intersección es un volumen que tiene forma de lenteja. Si desprendemos ese volumen de masa, que no influye gravitacionalmente sobre nuestra masa de pruebas, tendremos una esfera horadada, que se ve claramente en las siguientes ilustraciones que he dibujado. La lenteja intersección, que he pintado de amarillo, cuyo centro es el punto p donde esta nuestra masa de pruebas, la voy a desprender de la esfera azul que representa nuestro planeta Tierra, quedando pues el hueco de no-gravedad,

Ahora nuestro problema matemático se reduce a calcular el volumen de esa lenteja que hemos desprendido de la esfera principal. Una vez que sabemos el valor de ese volumen lo restaremos del volumen de la esfera, con lo cual sabremos cual es el volumen de la esfera azul horadada, que es la que en definitiva influye gravitacionalmente sobre nuestra masa de pruebas.

Para calcular el volumen de esa lenteja (volumen intersección de dos esferas iguales), bastará calcular la mitad. Esa mitad es lo que se llama casquete esférico

\displaystyle v = \frac {\pi h}{6} (3a^2 + h^2) (1)
O también:
\displaystyle v = \frac {\pi h^2}{3} (3R - h)
(2)
O en función de R y r:
\displaystyle v =\frac{1}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R)
(3)
Con lo cual el volumen total de esa lenteja será:

\displaystyle V = 2v = \frac{2}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R) (4)

Esto significa que el volumen que permanece en la esfera principal horadada (esfera azul) será pues:

\displaystyle V_E =\frac{4}{3} \pi  R^3 - \frac{2}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R) \\ \\ \\ \\ V_E = \frac{2}{3} \pi  r \left(3 R^2 - r^2\right) (5)
Pero según la Ley de Gauss para la Gravedad, y según el teorema del Shell, ese volumen VE, debería corresponder al volumen de una esfera de radio r. Es decir,

\displaystyle V_E =\frac{4}{3} \pi  r^3 (6)
¿Dónde está pues el error?.

Obviamente, si nuestra masa de pruebas está localizada en el centro de la Tierra, la lenteja que extraemos (intersección de las dos esferas) tendria un volumen igual al volumen total de la esfera, lo cual implicaría que la gravedad en el centro de la Tierra es nula. Pero, la pregunta está hecha ya. ¿Dónde está pues el error en mis cálculos?. Está claro, que algo debe estar equivocado en mis cálculos y/o consideraciones ya que la probabilidad de que yo no esté equivocado y sí lo esté Gauss al respecto es casi nula, por no decir absolutamente nula.

Actualización (2/8/2015): La ecuación (5) del volumen de masa efectiva (masa que influye efectivamente sobre nuestra masa de pruebas) nos sirve para hallar la masa efectiva. Ya que sabemos que la esfera inicial de radio R y masa total M es homogénea , la densidad constante de dicha esfera inicial es:

\displaystyle \mu =\frac{3M}{4\pi R^3}  (7)
Por lo tanto, si dividimos la masa efectiva ME por el volumen efectivo VE obtendremos esa densidad constante μ:

\displaystyle \frac{M_E}{V_E}=\mu =\frac{3M}{4\pi R^3}  (8)
y por lo tanto la masa efectiva será:

\displaystyle M_E=\frac{2}{3} \pi  r \left(3 R^2 - r^2\right)\frac{3M}{4\pi R^3} \\ \\ \\ \\  M_E=\tfrac{1}{2}M\left(\frac{3 r}{R}\text{  }- \frac{r^3}{R^3}\right) (9)
Pero, según el teorema de la cáscara esférica de Newton (el teorema del Shell), el volumen efectivo sería el de la ecuación (6), es decir, toda la masa efectiva estaria dentro de una esfera de radio r, y por lo tanto, la masa efectiva ME (según predice la gravitación universal de Newton, que es la conocida ley del inverso del cuadrado de la distancia) sería:

\displaystyle M_E=\frac{4}{3} \pi  r^3 \frac{3M}{4\pi R^3} \\ \\ \\ \\  M_E=M\frac{r^3}{R^3} (10)
Y según la gravitación universal de Newton, la fuerza efectiva sobre nuestra masa de pruebas sería:

\displaystyle F_E= G M\frac{r^3}{r^2 R^3} \\ \\ \\ \\  F_E= G M\frac{r}{R^3} (11)
O sea, la ley de gravitación universal de newton dice que considerando el radio R y la masa M constantes, la fuerza efectiva de la gravedad en el interior de esa esfera homogénea es directamente proporcional a r (distancia al centro de la esfera).

En conclusión: Según los cálculos que he realizado, el volumen efectivo hallado es independiente de la teoría de gravitación que consideremos ( no empleo la asunción de que la fuerza de la gravedad sea la ley del inverso del cuadrado de la distancia), sino que sólo asumo que a distancias iguales le corresponderán fuerzas iguales. Ahí radica la discrepancia entre el resultado que yo he hallado y el resultado oficial (el de la Ley de gravitación de Newton). Si los cálculos que he realizados son correctos, esto implicaría que la masa efectiva sería siempre mayor o igual que la masa efectiva oficial. Y esto tiene una implicación muy importante en gravitación, ya que explicaría nada más y nada menos que la anomalía que llamamos materia oscura. En la siguiente representación gráfica, para M = 1 y R = 1, comparo ambas predicciones de masa efectiva (la gráfica en azul es la que yo he calculado y la roja es la predicción clásica Newtoniana).

lines1

La región en gris definida entre ambas gráfica en el intervalo [0, R] es, según mis presagios, lo que se viene llamando erróneamente materia oscura. Es decir, la materia oscura sería simple y llanamente una anomalía ficticia producto de un mal entendimiento de la gravedad a lo largo de los siglos.

Saludos

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Los motores (propulsores) inerciales son imposibles

Posted by Albert Zotkin en enero 8, 2015

En mi anterior post hablé un poco sobre los motores inerciales. Más exactamente, hablé sobre cómo funcionan supuestamente los propulsores inerciales. Estos hipotéticos propulsores violan la tercera ley de Newton, es decir, supuestamente deberían generar impulso desde el interior del vehículo sin que se genere a la vez una fuerza de reacción (igual en magnitud y de sentido contrario). Por lo tanto, estos propulsores si existieran violarían la conservación del momento lineal. El momento lineal es un vector, producto de la masa (escalar) por la velocidad (vector), y posee una propiedad muy semejante a la de la energía, que consiste en que no puede ser creado ni destruido, sólo transferido de un sistema a otro. Todo cambio de movimiento implica transferencia de momento lineal.
\displaystyle  n = \frac{c}{c_n}  (1)
Veamos sucintamente por qué es imposible la existencia de tales propulsores. Supongamos un vehículo espacial, formado por dos esferas unidas por un eje rígido, que se mueve a una velocidad uniforme. Para poder acelerar ese vehículo hasta una velocidad distinta, debemos desplazar su centro de masas hasta otra posición relativa distinta a la actual. Para desplazar dicho centro de masas tenemos que transferir masa desde una de las esferas hacia la otra (mediante bombeo de un gas, por ejemplo). Una vez que hemos transferido masa, el nuevo centro de masas quedará mas cerca de la esfera que posea mayor masa. En ese momento estamos listos para ejercer tracción sobre la esfera de menor masa hacia la otra. Una vez que hemos acercado dicha esfera hacia la otra, devolvemos la masa transferida y ejercemos empuje para alejar la esferas a la posición relativa que tenían al inicio. Una vez hecho eso deberíamos observar que el vehículo ha acelerado, es decir, la velocidad final del centro de masas sería distinta a la inicial. Veamos gráficamente con unas figuras todo el proceso de la supuesta aceleración del sistema.

Paso 1: Partimos de esta estructura inicial
graphic1

Paso 2: Transferimos la mitad de la masa de una esfera hacia la otra
graphic2

Paso 3: Acercamos la esfera de menor masa hacia la de mayor masa
graphic3

Paso 4: Transferimos masa desde la mayor a la menor de modo que se inviertan las magnitudes
graphic4

Paso 5: Alejamos las esferas hasta los dos extremos
graphic5

Paso 6: Transferimos masa hasta que se igualen
graphic6

Se supone que con estos seis pasos deberíamos haber podido incrementar la velocidad de ese vehículo, pero en realidad no lo hemos conseguido. La clave está en que cuando transferimos masa de una esfera hacia la otra también variamos el centro de masas. Si cuando hacemos esa transferencia, el centro de masas quedara invariante entonces si que lograríamos incrementar la velocidad inercial del vehículo, habríamos generado una fuerza propulsora desde el interior sin contrapartida en una fuerza de reacción (opuesta). Pero, cuando transferimos masa, el centro de masas se acercará a la esfera que recibe dicha masa, y por lo tanto se aleja de la esfera que decrece en masa. Ese desplazamiento del centro de masas es de tal magnitud que cuando movemos la esfera más ligera, acercándola o alejándola de la mas pesada, ocurre que al final nunca conseguimos acelerar el vehículo hasta una velocidad final distinta de la inicial. En resumen, que el momento lineal se conserva, y por lo tanto todo propulsor (motor) inercial es imposible. En conclusión, en este experimento, si la velocidad inicial era cero, la velocidad final será cero.

Saludos

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El Motor Inercial Mach-Lorentz nos llevará a las estrellas

Posted by Albert Zotkin en diciembre 30, 2014

Un Motor Inercial Mach-Lorentz es un hipotético artefacto basado en el efecto Woodward que instalado en un vehículo espacial sería capaz de proporcionarle empuje sin necesidad de eyectar gases o cualquier otro material.

La idea del efecto Woodward se basa en la posibilidad de que se pueda inducir un cambio de masa inercial a un cuerpo cuando aceleramos eléctrica y magnéticamente algunos de sus componentes. Ese cambio temporal o cíclico de la masa inercial podría ser aprovechado para generar una fuerza con la que el vehículo aceleraría en el espacio. Es decir, que el vehículo no tendría que eyectar materia para acelerar. ¿Cómo se consigue eso?. La masa inercial es como un ancla en el espacio. Supongamos que dos personas, de igual peso, se suben a dos vagonetas que están sobre unos raíles. Si uno de ellos empuja la otra vagoneta, ambas se moverán en sentido contrario la misma distancia. Pero, si uno de ellos es más pesado que el otro, entonces la vagoneta con menos masa llegará más lejos. Está claro que la vagoneta más pesada está anclada a los raíles. Avanzar por el espacio con este artilugio también sería semejante a remar sobre una barca. Cuando alzamos el remo para llevarlo a una posición mas avanzada la masa del mismo rozando el aire es menor que cuando su pala está dentro del agua. Cuando hacemos fuerza para remar con la pala en el agua, eso es semejante a cuando empujamos a un cuerpo de mayor masa que nosotros. Existe siempre un cambio virtual de masas. Las ruedas de un coche sobre la calzada también experimentan ese cambio cíclico virtual de masas. La parte de la rueda que pisa la calzada es semejante a la vagoneta de mayor masa (queda más anclada que las otras partes del sistema). Cuando una parte queda más anclada, podemos aplicar empuje para aproximar hacia ella las partes más atrasadas. Es evidente que si el aire fuera más denso que el agua no podríamos remar en nuestra barca con eficiencia, ya que al llevar el remo por aire para ponerlo en la posición avanzada, nuestra barca se iría hacia atrás. De hecho, cuando remamos, la barca experimenta un impulso retrógrado (hacia atrás) cuando el remo va por aire hacia la posición avanzada. Lo que ocurre es que esa fuerza es insignificante frente a la fuerza de avance que conseguimos con la pala del remo dentro del agua.

Así, con un motor inercial, tipo Mach-Lorentz, queremos que exista una desproporción cíclica de fuerzas, de modo que siempre obtengamos ventaja con un avance que sea mayor que el retroceso. El problema con esta clase de “motores” que aplican el efecto Woodward es que no está claro si tal efecto existe en realidad, y cómo se realizan los anclajes para poder avanzar. ¿Cómo puede un vehículo espacial acelerar por el espacio como si fuera una oruga?.

En lugar de dos vagonetas imaginemos dos bolas de acero de igual volumen unidas por un muelle, y pongamos dicho sistema a vibrar. Si, de alguna forma, transferimos (mediante bombeo de gas, por ejemplo) masa de una bola hacia la otra mientras el sistema vibra por medio del muelle, es posible conseguir que dicho sistema experimente una fuerza que lo impulse en una determinada dirección espacial.

James F. Woodward afirma que en un motor Mach-Lorentz, el cual se basa en el efecto Woodward, cuando se carga un condensador eléctrico, su dieléctrico experimenta un aumento pasajero de su masa inercial, y cuando el condensador se descarga, el dieléctrico experimenta una disminución de masa. La fórmula que deduce Woodward para ese incremento de masa del dielétrico es:

\displaystyle    \delta m_0 =  \frac{1}{4\pi G}\left[\frac{1}{\rho_0 c^2}\frac{\partial P}{\partial t} -  \left(\frac{1}{\rho_0 c^2}\right)^2 \frac{P^2}{V}\right]
donde m0 es la masa propia, G es la constante de gravitación universal, c es la velocidad de la luz en el vacio, ρ0 es la densidad propia del dieléctrico, V es el volumen del dieléctrico, y P es la poencia eléctrica instantanea enviada al sistema.

El problema con esa fórmula es que nadie sabe si predice un efecto real o es falsa ya que nadie ha sido capaz aún de medir ese supuesto efecto Woodward.

Saludos

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Gravedad cuántica: ¿existe una velocidad mínima no nula para el movimiento de los cuerpos con masa?

Posted by Albert Zotkin en diciembre 22, 2014

Si nos creemos el hecho de que existe una velocidad máxima (insuperable) en nuestro universo, la cual identificamos como la velocidad de la luz en el vacío, c, entonces tambien debe ser razonable pensar que debe existir una velocidad mínima no nula, no sólo para los cuerpos con masa, sino para la misma luz. Este hecho de una cota minima nos lleva a fenómenos como el de la refracción de la luz en medios extremos. Decimos que un medio posee un indice de refraccíon n mayor que la unidad cuando la velocidad de la luz cn en dicho medio es inferior a la que posee en el vacio:

\displaystyle  n = \frac{c}{c_n}  (1)
Si afirmamos que ha de existir una velocidad mínima no nula para la luz en algún medio (por ahora desconocido), entonces dicho medio poseerá un índice de refracción muy alto, pero no infinito, porque si fuera infinito la velocidad de la luz en dicho medio sería nula. Por otro, lado sabemos que la longitud de Planck lP está definida de esta forma:

\displaystyle  \ell_\text{P} =\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \approx 1.616\;199 (97) \times 10^{-35} \mbox{ m}  (2)
Esto significa que es posible expresar la velocidad de la luz en función de la Longitud de Planck:

\displaystyle  c =\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{\ell_\text{P}^2}}   (3)
Y esto quiere decir que para una posible velocidad mínima no nula, c0, de la luz en un medio extremo (aún desconocido) debemos encontrar una longitud “extrema” muy grande, que llamaremos RH, tal que:

\displaystyle  c_0 =\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{R_\text{H}^2}}   (4)
por lo que el índice de refracción para ese medio en el cual la luz se ralentiza hasta llegar a propagarse a la mínima velocidad no nula posible, será:

\displaystyle  n_0 =\cfrac{\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{\ell_\text{P}^2}} }{\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{R_\text{H}^2}} } =\sqrt[3]{\frac{R_\text{H}^2}{\ell_\text{P}^2}}  (5)

Es pues posible hipotetizar que esa longitud RH no puede ser otra que un Radio de Hubble:

\displaystyle  R_\text{H} =\cfrac{c}{H_0}  (6)

donde H0 es la constante de Hubble, y su valor aproximado es de

\displaystyle  R_\text{H} \approx  13.000 \ \text{millones de a\~nos luz}  (7)
Luego la velocidad mínima que buscamos será:

\displaystyle  c_0 =\sqrt[3]{\frac{\hbar G H_0^2}{c^2}}   (8)
Saludos

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Gravedad cuántica: Análisis pormenorizado de la componente entrópica de la gravedad

Posted by Albert Zotkin en diciembre 19, 2014

Hace ya algún tiempo un tal Erik Verlinde publicó un artículo en el que supuestamente deducía la ley de gravitación universal de Newton desde primeros principios, incluso dedujo las ecuaciones de campo de Einstein de la Relatividad General, concluyendo que la gravedad es una fuerza entrópica, es decir una fuerza que no es fundamental y que emerge naturalmente del aumento de entropía de los sistemas materiales. Verlinde usó el principio holográfico y las conocidas leyes de la termodinámica, junto con algunas cosillas más, para deducir dicha fuerza entrópica. Las fuerzas entrópicas emergen desde el microcosmos hacia el macrocosmos debido a que los sistemas materiales tienden a adoptar estados de máxima entropia. Cuando estiras una goma elástica debes de ejercer una fuerza para contrarrestar temporalmente su estado maximizado de entropía. Al estirar la goma estás rebajando su entropia, y por lo tanto la goma se opone a ese cambio ejerciendo una fuerza en sentido contrario que intenta restaurar su estado de máxima entropía.

Pero, como vamos a ver ahora, esa fuerza entrópica deducida por Verlinde desde primeros principios, y que emerge siendo la fuerza de gravitación de Newton, es sólo una componente de la gravedad total. En concreto vamos a ver cómo esa componente entrópica es engullida brutalmente por un tiburón cuántico que habita en las profundidades del microcosmos termodinámico.

Comencemos expresando la Primera Ley de la Termodinámica para sistemas homogeneos cerrados:

\displaystyle  dU=TdS-PdV  (1)
donde dU es el cambio de energía interna, T es la temperatura, dV es el cambio de volumen, dS es el cambio de entropia, y P es la presión. Sabemos que PdV es el cambio de energía libre del sistema, por lo tanto puede ser expresada como suma de los cambios de energía de cada uno de los microestados

\displaystyle  \langle PV\rangle=-\frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} = -\frac{\epsilon_1\oplus\epsilon_2\oplus\epsilon_3\oplus\dots}{\beta}     2
Donde εs representa la energía del microestado s, Z es la función de partición, y β es menos el inverso del producto de la temperatura por la constante de Boltzmann:

\displaystyle    \mathcal{Z} = \sum_{s} e^{\beta \epsilon_s}  \\ \\ \\   \beta = -\frac{1}{k_BT}
La ecuación (1) para un proceso con presión y temperatura constantes queda así:

\displaystyle  U=TS-PV  (3)
por lo tanto sustituyendo (2) en (3) tenemos:

\displaystyle  U=TS + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\   U=\frac{\beta}{\beta} \ln \exp(TS) + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\ \\   U=\frac{\ln \exp(\beta TS )}{\beta} + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\ \\   U=\frac{\ln \left (\mathcal{Z}\exp(\beta TS ) \right)}{\beta}  \\ \\ \\   (4)

Según el postulado fundamental de la mecánica estadística, la entropía S es directamente proporcional al logaritmo del número Ω de microestados:

\displaystyle  S = k_B \ln \Omega

es decir

\displaystyle  TS = Tk_B \ln \Omega= -\frac{\ln \Omega}{\beta}  (5)

por lo que (4) lo podemos calcular más fácilmente:

\displaystyle  U=TS + \frac{\ln \mathcal{Z}}{\beta} \\ \\   U=-\frac{\ln \Omega}{\beta} + \frac{\ln \mathcal{Z}}{\beta} \\ \\ \\
\displaystyle  \boxed{U=\cfrac{1}{\beta}\ln \left(\frac{\mathcal{Z}}{\Omega}\right)}   (6)
Esta energía interna U es lo que en gravedad debe identificarse como la energía potencial gravitatoria, la cual si es dividida por la masa m de una partícula de prueba tendremos el potencial gravitatorio (con todas sus componentes) en el punto espacial donde está localizada dicha partícula:

\displaystyle    \boxed{V = \cfrac{U}{m}=\cfrac{1}{m \beta}\ln \left(\frac{\mathcal{Z}}{\Omega}\right)}   (7)
Recapitulemos. La componente entrópica debe ser identificada con la gravitación clásica de Newton, y la componente de energía libre (PV) debe ser identificada con lo que se llama gravitomagnetismo. O lo que es lo mismo, la función de partición Z mapea dicho gravitomagnetismo, mientras que el número Ω de microestados mapea la componente estática de gravitación Newtoniana.

Pongamos un pequeño ejemplo. Supongamos que queremos calcular el número Ω de microestados de un sistema gravitatorio binario, con masas M y m. Igualamos el potencial gravitatorio así:

\displaystyle     V =-\frac{\ln \Omega}{m\beta} = -\frac{GM}{r}  \\ \\   \Omega = \exp\left(\frac{GMm\beta}{r}\right)

pero en β está incluida la temperatura T, por lo tanto si igualamos esa temperatura con la temperatura de Unhru:
,

\displaystyle  T = \frac{\hbar a}{2\pi c k_\text{B}} \\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c}{\hbar a} \\ \\ \\

y la aceleración a la igualamos a la aceleración del campo gravitatorio estático, a = g:

\displaystyle  a = \frac{GM}{r^2}\\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c r^2}{\hbar GM} \\ \\ \\

Por lo que el número Ω de microestados para ese sistema gravitatorio será:

\displaystyle  a = \frac{GM}{r^2}\\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c r^2}{\hbar GM} \\ \\ \\  \Omega = \exp \left(\frac{GMm\beta}{r}\right) = \exp\left(\frac{m c \ 2\pi r}{\hbar}\right)
Saludos

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Gravedad cuántica: definición de nuevo centro de masas desde micro-estados mediante infra-sumas de orden -1

Posted by Albert Zotkin en octubre 28, 2014

Clásicamente, se define el centro de masas de un sistema de n partículas asi:

\displaystyle  \mathbf{R} = \frac 1M \sum_{i=1}^n m_i \mathbf{r}_i,
donde mi es la masa de la partícula i, ri es su vector distancia (desplazamiento) al origen de coordenadas, M es la masa total del sistema de partículas y R es el vector distancia (desplazamiento) del centro de masas. Desde esta definición de centro de masas vemos claramente que ese punto que nos señala el vector R debe ser tal que

\displaystyle   \sum_{i=1}^n m_i(\mathbf{r}_i - \mathbf{R}) = 0

se cumpla siempre para dicho sistema de partículas. Podemos hacer esa suma adimensional si la dividimos por el producto de la masa de Planck y la longitud de Planck, mP×lP

\displaystyle   \ell_\text{P} =\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \\ \\  m_\text{P}=\sqrt{\frac{\hbar c}{G}} \\ \\  m_\text{P} \ell_\text{P} =\cfrac{\hbar}{c}

es decir

\displaystyle  \sum_{i=1}^n \cfrac{m_ic(\mathbf{r}_i - \mathbf{R})}{\hbar} = 0
Ahora viene la parte interesante de todo esto. Una vez que hemos hecho adimensional dicha suma, nos vamos al ámbito de las infra-sumas, y decir que si usamos el operador ⊕ de orden -1 tendremos un nuevo centro de masas ℜ tal que:

\displaystyle   \cfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar} \oplus \cfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar} \oplus \dots= -\infty

debe ser igual a -∞ por que ese es el elemento neutro de la infra-suma de orden -1. Y según la definición de infra-suma de orden -1, tendremos que

\displaystyle   \log\left(\exp(\tfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar}) + \exp(\tfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar}) + \dots\right)=-\infty=\log 0 \\ \\    \exp(\tfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar}) + \exp(\tfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar}) + \dots =  0 \\ \\   \sum_{i=1}^n \exp \left(\frac{m_ic(\mathbf{r}_i - \cal{R})}{\hbar}\right) = 0
Es evidente que la magnitud ħ/mic es la longitud de onda de Compton reducida de la partícula i del sistema, una forma muy natural de expresar la masa a escala cuántica. Pero, lo interesante está en el valor de ℜ, y ver a dónde apunta. Espero que alguien serio lea este pequeño artículo de gravedad cuántica y lo tenga en cuenta como una modesta y pequeña contribución para el progreso de la ciencia, y en particular de la gravedad cuántica.

Saludos

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