Agujeros negros y tiempo curvo de Kip Thorne

 Nuevo libro del club de lectura del canal cuentos cuánticos

 

Enrique Borja cuenta el libro, para dar una primera visión

  

 

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Enrique Borja explica la experiencia de nuestro club de lectura con "el camino a la realidad" de Roger Penrose

 

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El  Texto 

En la primera sesión sobre el libro de Thorne, comentaremos los capítulos 1 y 2 

Nos saltamos prólogo e introducción. 

Comentario sobre el primer capítulo:

El libro Agujeros negros y tiempo curvo: El escandaloso legado de Einstein de Kip S. Thorne tiene un cuerpo central que abarca los capítulos 1 al 14. El Capítulo 1 en particular, aunque se describe como el comienzo del texto central, tiene un enfoque fundamental en la Relatividad Especial y la filosofía de la ciencia subyacente.

A continuación, se presenta un índice de los temas principales tratados en el primer capítulo del libro:

Capítulo 1: Temas Clave

• Repaso de la Relatividad Especial

  • El capítulo comienza con un repaso de la Relatividad Especial.
  • Se examina el tránsito de la física newtoniana a la Relatividad Especial.
  • Se abordan los conceptos de la Relatividad Especial, incluyendo:
    • Diagramas (como la figura 1.3, que representa el espacio-tiempo plano de la relatividad especial).
    • Simultaneidad.
    • Otros conceptos fundamentales.
  • La Relatividad Especial es la base nueva que planteó Albert Einstein en su artículo "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento". Esta teoría describe el Universo correctamente solo en situaciones donde la gravedad es poco importante ("especial").

• La Naturaleza de la Ley Física

  • El capítulo 1 incluye una sección final titulada "La naturaleza de la ley física".
  • Esta sección trata sobre la relación entre diferentes descripciones de las leyes de la física y sus dominios de validez.
  • También se aborda la distinción entre las predicciones hechas a partir de un conjunto de leyes y las imágenes mentales que transmiten (lo que las leyes "aparentan"). (Aunque esta discusión se amplía en el Capítulo 11, se compara con la sección final del Capítulo 1).
  • Se postula el punto de vista de que existe un conjunto final de leyes físicas (como la gravedad cuántica) que verdaderamente gobiernan el Universo. Las leyes actuales (como la Relatividad General) se consideran "una aproximación a" o "una descripción aproximada de" esas verdaderas leyes.

Nota: Es importante notar que el libro comienza con un prólogo (una historia de ciencia ficción) que introduce rápidamente conceptos avanzados (como agujeros negros, horizontes, agujeros de gusano, singularidades y ondas gravitatorias) antes de que el texto central (incluyendo el Capítulo 1) los introduzca de manera más pausada.

 Comentario al capítulo 2

El Capítulo 2 del libro Agujeros negros y tiempo curvo, titulado "La distorsión del espacio y del tiempo", marca la transición de la Relatividad Especial a la Relatividad General de Einstein. Este capítulo se centra en cómo la gravedad distorsiona el tejido del universo (el espacio-tiempo).

A continuación, se presenta un índice de los temas principales tratados en el Capítulo 2:

Capítulo 2: La Distorsión del Espacio y del Tiempo (pp. 79-110)

• Introducción a la Relatividad General

  • El capítulo presenta la necesidad de reemplazar la Relatividad Especial (RE).
  • Se muestra cómo la Relatividad Especial predice su propio fallo en presencia de la gravedad.
  • La Relatividad General se introduce como el nuevo conjunto de leyes que reemplaza a la RE cuando la gravedad se vuelve importante.

• El Concepto de Espacio-Tiempo Absoluto

  • Se aborda la idea del espacio-tiempo absoluto.
  • Se explica el concepto de espacio-tiempo como un "tejido tetradimensional con propiedades que son independientes del movimiento de cada uno".
  • Se introduce la Fórmula de Minkowski (descrita en el Recuadro 2.1), la cual es análoga a la fórmula de Pitágoras, pero se diferencia porque las separaciones al cuadrado deben ser restadas en lugar de sumadas.
  • Se explica el concepto del intervalo absoluto entre dos puntos cualesquiera en el espacio-tiempo.
  • Se extraen las lecciones del cuento de Mledina y Serona (mencionado como un recurso didáctico del capítulo).

• Efectos de la Gravedad: Las Fuerzas de Marea

  • Se describen las fuerzas de cabeza a pies que un astronauta o cápsula sentiría al acercarse a un objeto masivo.
  • Estas fuerzas son identificadas como fuerzas de marea.
  • Se hace la analogía de estas fuerzas con las mareas en los océanos de la Tierra (referidas en el Recuadro 2.5).
  • Se aborda la Dilatación gravitatoria del tiempo (Recuadro 2.4), ilustrada con el ejemplo de dos relojes idénticos colocados uno en el suelo y otro en el techo de una habitación, donde sus ritmos de marcha están regulados por el flujo de tiempo cerca de cada altura.

 Lectura complementaria: El matrimonio de Albert con Mileva

 Biografia de Mileva y su matrimonio 

Según el libro de Thorne, ¿cuáles fueron los hechos e investigaciones que hicieron sospechar a Einstein cuando era estudiante  que había fallos en la física de su tiempo?

1. El Conflicto con el Electromagnetismo de Maxwell

La principal fuente de insatisfacción de Einstein provino de la discrepancia entre la física newtoniana (que asumía el espacio y el tiempo absolutos) y las leyes de James Clerk Maxwell sobre el electromagnetismo.

• Leyes de Maxwell Ignoradas: Durante su cuarto año en el ETH, Einstein se sintió muy insatisfecho porque su profesor de física, Heinrich Weber, solo enseñaba la "vieja" física newtoniana y omitía completamente el descubrimiento de Maxwell de un conjunto de leyes elegantes y unificadoras del electromagnetismo. Einstein tuvo que estudiar las leyes de Maxwell por su cuenta, leyendo libros actualizados.
• La Belleza vs. la Fealdad Teórica: La física de la época, construida sobre cimientos newtonianos, suponía la existencia de un éter o espacio absoluto en reposo. Las leyes de Maxwell, sin embargo, solo eran simples y bellas en el sistema de referencia del éter. En cualquier otro sistema de referencia que se moviera con respecto al éter, las leyes de Maxwell se volvían complejas y "feas" (por ejemplo, al predecir que las líneas de campo magnético podían tener extremos).
  Pero no es porque fuesen bellas o feas, sino que eran diferentes para sistemas en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, lo cual contradecía la relatividad galileana que decía que las leyes de la física tenían que ser las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales, de modo que no se podían distinguir unos de otros "desde dentro"
• Convencimiento de Einstein: Esta inconsistencia era "absolutamente inaceptable" para Einstein, ya que creía que las leyes de la naturaleza debían ser simples y bellas en todos los sistemas de referencia inerciales, no solo en uno privilegiado (el del éter). Ya en agosto de 1899, siendo aún estudiante, Einstein escribió a Mileva Marić su firme convicción: "Cada vez estoy más convencido de que la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, tal como se presenta hoy día, no es correcta".

2. El Experimento de Michelson-Morley

La evidencia experimental que desafió la noción de espacio absoluto fue el famoso experimento de Michelson y Morley.

• La Búsqueda del Éter: Este experimento, realizado por Albert Michelson en 1881 y repetido con mayor precisión en 1887 en colaboración con Edward Morley, tenía como objetivo medir la velocidad de la Tierra a través del éter.
• El Resultado Inesperado: A pesar de la exquisita precisión de la técnica de interferometría utilizada, Michelson no pudo encontrar ninguna evidencia de la más mínima variación en la velocidad de la luz con la dirección. El resultado fue que la velocidad de la luz resultaba ser la misma en todas las direcciones.
• Implicaciones Radicales: Mientras que muchos físicos, incluido su profesor Weber, reaccionaron con escepticismo, otros consideraron que el experimento era muy convincente y que algo podría estar fallando en los fundamentos de la física newtoniana. El físico irlandés George F. Fitzgerald sugirió que el fallo residía en el concepto de espacio absoluto de Newton, proponiendo la contracción de la longitud de los objetos en movimiento.
• Importancia para Einstein: Aunque Einstein prestó "poca atención" a estos experimentos específicos para la construcción inicial de su teoría (ya que le guiaba más la búsqueda de la simplicidad y la belleza), estos datos eran crucialmente relevantes porque sugerían que la velocidad de la luz en la Tierra era la misma en todas las direcciones.

Era fácil ser escéptico respecto del experimento de Michelson Morley, con su tecnología puntera e innovadora. Los experimentos interesantes suelen ser terriblemente difíciles; tan difíciles, de hecho, que por mucho cuidado que se ponga en su realización, pueden dar resultados erróneos. Simplemente una pequeña anormalidad en el aparato, o una minúscula fluctuación incontrolada de la temperatura, o una inesperada vibración en el suelo en que se asienta, podría alterar el resultado final del experimento.

Una marca de un físico sobresaliente es su capacidad para «oler» qué experimentos son dignos de confianza y cuáles no; de cuáles hay que preocuparse y cuáles hay que ignorar. Conforme la tecnología mejora y los experimentos se repiten una y otra vez, la verdad resplandece finalmente; pero si uno está tratando de contribuir al progreso de la ciencia, y si quiere colocar su propio imprimátur en los descubrimientos mayores, entonces uno necesita adivinar antes, y no después, qué experimentos son dignos de crédito.
Varios físicos sobresalientes de finales de siglo examinaron el experimento de
Michelson-Morley y llegaron a la conclusión de que los detalles internos del aparato y el
exquisito cuidado con que fue realizado constituían un argumento muy convincente.
Decidieron que este experimento «olía bien»; algo podría estar mal en los fundamentos de la física newtoniana. ...  Por ejemplo, pensaron a favor del experimento de Michelson Morley : Fitzgerald, Lorentz, Poincaré, Larmor ...

Esta parte del texto me gusta, porque indica que no es que el profesor de Einstein fuera tonto, sino que las cosas todavía no estaban claras.

Esto me recuerda al libro los sonámbulos de Arthur Koestler, en el que explica como los científicos no van de seguridad en seguridad, sino que a menudo andan a tientas 

Los sonámbulos 

EL INTERVALO ESPACIO TEMPORAL

El intervalo en el espacio-tiempo de Minkowski se entiende como la distancia absoluta en línea recta que existe entre dos sucesos cualesquiera dentro del tejido tetradimensional unificado (el espacio-tiempo).

Su concepto fundamental es su carácter absoluto o invariante:

1. Es absoluto: El valor del intervalo es siempre el mismo, independientemente del sistema de referencia (o de la velocidad) que se utilice para calcularlo.
2. Unifica lo relativo: Hermann Minkowski demostró que, aunque el espacio por sí mismo y el tiempo por sí mismo son relativos (mezclándose para diferentes observadores), su unión en el intervalo es lo único que conserva una realidad independiente.
3. Cálculo: Se calcula mediante la Fórmula de Minkowski. Esta fórmula es análoga a la de Pitágoras, pero en lugar de sumar las separaciones al cuadrado (espacial y temporal), estas deben ser restadas para obtener el intervalo absoluto.