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Los 13 números más importantes del universo

octubre 3, 2021

Algunos números, como su número de teléfono o su número de Seguro Social, son decididamente más importantes que otros. Pero los números de esta lista son de importancia cósmica: son los conceptos fundamentales que definen nuestro universo, que hacen posible la existencia de la vida y que decidirán el destino final del universo. En esta pieza adaptada de su nuevo libro Números cósmicos: los números que definen nuestro universo, Universidad Estatal de California, Long Beach, el profesor de matemáticas James D. Stein revela no solo el efecto que cada número tiene en nuestras vidas y nuestro universo, sino también la historia de las personas que los descubrieron y trabajaron con ellos. Aquí están, en el orden en que la ciencia los conoció por primera vez.

1

La constante gravitacional universal

Quizás 2011 no haya sido un gran año, pero 1665 fue mucho peor, especialmente si vivías en Londres. Ese fue el año del último gran brote de peste bubónica y, aunque los londinenses no sabían nada sobre medicina, sabían que era una buena idea salir de la ciudad. La corte del rey Carlos II partió de Londres hacia Oxfordshire y la Universidad de Cambridge cerró. Uno de sus estudiantes, Isaac Newton, regresó a su casa en Woolsthorpe, donde pasó los siguientes dieciocho meses abriendo la puerta al mundo moderno.

Vivimos en una era tecnológica que sería imposible sin la capacidad de hacer predicciones cuantitativas. Y el primer gran ejemplo de predicción cuantitativa se encontraba en la teoría de Newton de la gravitación universal. Partiendo de la hipótesis de que la atracción gravitacional entre dos masas es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, Newton descubrió que la órbita de un planeta era una elipse con el sol en uno de los focos. Johannes Kepler había llegado a esta conclusión tras años de minuciosas observaciones, pero Newton fue capaz de hacerlo sin más que el supuesto de atracción gravitacional y la herramienta matemática del cálculo (que había inventado para este propósito).

Curiosamente, aunque la constante gravitacional, G, fue la primera constante en ser descubierta, es la menos conocida de las 13 constantes. Eso se debe a la extrema debilidad de la fuerza gravitacional en comparación con las otras fuerzas básicas. Considere que aunque la masa de la tierra es aproximadamente 6 x 1024 kilogramos, en 1957, unos tres siglos después de que Newton abandonara la Londres devastada por la plaga, los seres humanos superaron la atracción gravitacional de la Tierra utilizando un simple cohete de propulsión química para poner en órbita al Sputnik, el primer satélite artificial.

2

La velocidad de la luz

La invención del cañón durante la Edad Media demostró que la velocidad del sonido era finita; se podía ver el fuego de un cañón mucho antes de escuchar el sonido de la explosión. Poco después, varios científicos, incluido el gran Galileo, se dieron cuenta de la posibilidad de que la velocidad de la luz también fuera finita. Galileo ideó un experimento que bien podría haber demostrado esto, con telescopios y hombres apuntando luces entre sí a una gran distancia. Pero la extrema rapidez de la velocidad de la luz, combinada con las limitaciones tecnológicas del siglo XVII, hicieron inviable este experimento.

A finales del siglo XIX, la tecnología y el ingenio habían avanzado tanto que era posible medir la velocidad de la luz dentro del 0,02 por ciento de su valor real. Esto permitió a Albert Michelson y Edward Morley demostrar que la velocidad de la luz era independiente de la dirección. Este sorprendente resultado condujo finalmente a la teoría de la relatividad de Einstein, el logro intelectual icónico del siglo XX y quizás de todos los tiempos.

A menudo se dice que nada puede viajar más rápido que la luz. De hecho, nada físico en el universo puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, pero aunque nuestras computadoras procesan la información a la velocidad de la luz, todavía esperamos con impaciencia que se descarguen nuestros archivos. La velocidad de la luz es rápida, pero la velocidad de la frustración es aún más rápida.

3

La constante de gas ideal

En el siglo XVII, los científicos entendieron tres fases de la materia: sólidos, líquidos y gases (el descubrimiento del plasma, la cuarta fase de la materia, se encuentra siglos en el futuro). En ese entonces, era mucho más difícil trabajar con sólidos y líquidos que con gases porque los cambios en sólidos y líquidos eran difíciles de medir con el equipo de la época. Muchos experimentadores jugaron con los gases para tratar de deducir leyes físicas fundamentales.

Robert Boyle fue quizás el primer gran experimentalista, y fue el responsable de lo que ahora consideramos la esencia de la experimentación: variar uno o más parámetros y ver cómo cambian otros parámetros en respuesta. Puede parecer obvio en retrospectiva, pero la retrospectiva, como señaló una vez el físico Leo Szilard, es notablemente más precisa que la previsión.

Boyle descubrió la relación entre la presión y el volumen de un gas y, un siglo después, los científicos franceses Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac descubrieron la relación entre el volumen y la temperatura. Este descubrimiento no fue simplemente una cuestión de ponerse una chaqueta de laboratorio blanca tradicional (que aún no se había inventado) y realizar algunas mediciones en un entorno cómodo. Para obtener los datos requeridos, Gay-Lussac llevó un globo aerostático a una altitud de 23.000 pies, posiblemente un récord mundial en ese momento. Los resultados de Boyle, Charles y Gay-Lussac se pudieron combinar para mostrar que en una cantidad fija de gas, la temperatura era proporcional al producto de la presión y el volumen. La constante de proporcionalidad se conoce como constante de gas ideal.

4

Cero absoluto

Es fácil calentar. Los humanos han podido capturar o crear fuego desde tiempos prehistóricos. Producir frío es una tarea mucho más difícil. El universo en su conjunto ha hecho un muy buen trabajo, ya que la temperatura promedio del universo es solo unos pocos grados por encima del cero absoluto. Y lo ha hecho de la forma en que lo hacemos en nuestros frigoríficos: mediante la expansión del gas.

Michael Faraday, que es mucho más conocido por sus contribuciones al estudio de la electricidad, fue el primero en sugerir la posibilidad de producir temperaturas más frías aprovechando la expansión de un gas. Faraday había producido algo de cloro líquido en un tubo sellado, y cuando rompió el tubo (y por lo tanto bajó la presión), el cloro se transformó instantáneamente en gas. Faraday señaló que si bajar la presión podía transformar un líquido en gas, entonces quizás aplicar presión a un gas podría transformarlo en líquido, con una temperatura más fría. Eso es básicamente lo que sucede en su refrigerador; el gas se presuriza y se deja expandir, lo que enfría el material circundante.

La presurización permitió a los científicos licuar oxígeno, hidrógeno y, a principios del siglo XX, helio. Eso nos llevó a unos pocos grados del cero absoluto. Pero el calor también es movimiento, y una técnica para ralentizar los átomos mediante el uso de láseres nos ha permitido acercarnos a una millonésima de grado del cero absoluto, que ahora sabemos que es un poco más de -459 grados Fahrenheit. El cero absoluto cae en la misma categoría que la velocidad de la luz. Los objetos materiales pueden acercarse mucho, pero nunca podrán alcanzarlo.

5

el número de Avogadro

Desbloquear los secretos de la química no era diferente a desbloquear una caja de seguridad. Se necesitaron dos claves para realizar la tarea.

La primera clave, la teoría atómica, fue descubierta por John Dalton a principios del siglo XIX. El renombrado físico Richard Feynman sintió que la teoría atómica era tan importante que dijo: «Si, en algún cataclismo, todo el conocimiento científico fuera destruido, y solo una oración pasara a la siguiente generación de criaturas, ¿qué declaración contendría? ¿La mayor cantidad de información en la menor cantidad de palabras? Creo que es la hipótesis atómica de que todas las cosas están hechas de átomos, pequeñas partículas que se mueven en perpetuo movimiento «.

Estos son los 92 elementos (que ocurren naturalmente) que son los bloques de construcción fundamentales de toda la materia del universo. Sin embargo, casi todo en el universo es un compuesto; una combinación de diferentes tipos de elementos. Por tanto, la segunda clave de la química moderna fue el descubrimiento de que cada compuesto era una colección de moléculas idénticas. Por ejemplo, un lote de agua pura está hecho de montones y montones de H idénticos2O moléculas.

Pero, ¿cuántas moléculas? Hacer la contabilidad correcta para poder predecir el resultado de las reacciones químicas resultó ser un obstáculo importante para el avance de la química. El químico italiano Amadeo Avogadro propuso que a la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de gases diferentes contenían el mismo número de moléculas. Esta hipótesis no fue apreciada en gran medida cuando se anunció por primera vez, pero permitió a los químicos deducir la estructura de las moléculas midiendo los volúmenes al comienzo y al final de una reacción química. El número de Avogadro se define como el número de átomos en 12 gramos de carbono, y es aproximadamente seis seguido de 23 ceros. (También es la cantidad de moléculas en un mol, una unidad de medida que los químicos usan para expresar la cantidad de una sustancia).

6

La fuerza relativa de la electricidad y la gravedad

Si camina sobre una alfombra en una fría mañana de invierno, es posible que haya generado suficiente electricidad estática para hacer que pequeños objetos se adhieran a su ropa o que se le erice el cabello. Esto proporciona una demostración vívida de cuánto más fuerte es la electricidad que la gravedad. Toda la masa de la tierra está ejerciendo sus mejores esfuerzos gravitacionales para tirar de ese objeto hacia abajo, sin embargo, la pequeña cantidad de electricidad estática que ha generado derrota esos esfuerzos.

También es algo bueno: el hecho de que la electricidad sea mucho más fuerte que la gravedad permite que exista la vida. La vida es un complejo de reacciones químicas y eléctricas, pero incluso las reacciones químicas que impulsan los movimientos de los músculos o la digestión de los alimentos son, en esencia, dependientes de la electricidad. Las reacciones químicas tienen lugar cuando los electrones en los bordes exteriores de los átomos cambian su lealtad de un átomo a otro. Al hacerlo, se forman diferentes compuestos a medida que los átomos se recombinan. Estos cambios hacen que nuestros nervios envíen mensajes a nuestros músculos, para permitirnos movernos, oa nuestro cerebro, donde se procesa la información recopilada por nuestros sentidos.

Si la electricidad fuera más débil en relación con la gravedad de lo que realmente es, esto sería más difícil. Es posible que la evolución pueda producir una forma de que la vida se adapte a tal circunstancia. Pero tendremos que buscar en otro universo para averiguarlo.

7

Constante de Boltzmann

Todos sabemos que el agua fluye cuesta abajo, no cuesta arriba, porque así funciona la gravedad. La gravedad es una fuerza, y la atracción gravitacional de la tierra actúa como si estuviera concentrada en el centro de la tierra y empuja el agua cuesta abajo. Sin embargo, no hay una explicación similar de por qué vemos que los cubitos de hielo se derriten cuando se colocan en un vaso de agua caliente, pero nunca vemos que los cubitos de hielo se forman espontáneamente en un vaso de agua tibia. Esto tiene que ver con la forma en que se distribuye la energía térmica, y la solución a este problema fue una de las grandes búsquedas del siglo XIX …