17 agosto 2015

Buscando la nada y el vacío.-


En la imagen superior  las capas de la atmósfera, donde se muestra la densidad del aire acorde a la altitud (en kilogramos por metro cúbico). Se puede ver como la densidad del aire tiende a cero conforme nos vamos elevando, pero sólo "tiende" no cae a cero.

Las palabras NADA y VACÍO las solemos utilizar muy a la ligera. Si abrimos un cajón decimos: "aquí no hay nada" o "está vacío", pero siempre están las omnipresentes bacterias, el polvo, los ácaros, restos microscópicos de casi todo e incluso el aire.

La pregunta sería, existe la nada, la verdadera nada?? existe el verdadero vacío en este universo nuestro??

Si lanzamos un cohete al espacio, llegará un momento en que el cielo dejará de verse azul, pero a cambio estará lleno de estrellas, se empezarán a reducir la densidad y la presión del aire.

Al superar los 10.000 metros, (altitud propia de los reactores de pasajeros y de las aves que vuelan más alto), la densidad cae a la tercera parte y la presión a la cuarta.

Al llegar a los 20.000 metros, (altitud propia de los aviones de combate), la presión se reduce a un 1/18 respecto a la superficie y la densidad a 1/14, a partir de ahí, el aire se vuelve tan tenue que a los aviones les cuesta mucho volar.

Un interceptor soviético el MiG-31, batió el récord de altitud para un avión tripulado capaz de despegar y aterrizar por sus propios medios, llegó a los 38.324 metros... a esa altura se pueden ver las estrellas en pleno día.


En la imagen superior, la Tierra vista desde lo alto de la línea Karman a bordo de un cohete Soyuz, es como si ya estuviéramos en el vacío.

Los globos llegan todavía más alto, elevándose por sus propios medios. Cuando el cohete Soyuz alcanza esas alturas, en poco más de dos minutos desde su lanzamiento va a unos 7.600 km/h y sigue necesitando la cofia aerodinámica, de lo contrario, a esa velocidad, incluso ese aire tan tenue desestabilizaría el cohete y abrasaría la nave espacial.

Se dice que el punto donde el cielo se convierte en espacio y los aviadores en astronautas es la línea Karman, a 100 kilómetros de altitud.

Para los Soyuz este es sólo el principio del viaje, van en la segunda fase encendida a toda mecha y les queda un buen tramo hasta llegar a la órbita. Doscientos segundos después del lanzamiento, ascienden a 8.700 km/h y la cofia se va tornando inútil, se desprende unos 20-30 segundos después, al superar los 120 kilómetros de altitud. El aire es ahora tan ligero que ni el rozamiento ni su presión sobre la estructura de la nave presentan ningún peligro.

Vídeo de los 7 primeros minutos de vuelo de un cohete Soyuz-STB lleva una carga de satélites de telecomunicaciones. Observa los datos de altitud y velocidad que aparecen a partir del minuto 1:25, la altitud está expresada en kilómetros y la velocidad en kilómetros por segundo (1km/s son 3.600 km/h).

Puede verse como la cofia aerodinámica se separa a los 120 kilómetros de altitud (en el vídeo en el minuto 4:30, minuto 3:55 del lanzamiento). Ese es el momento en que el aire es tan tenue que ya no puede desestabilizar el cohete ni dañar la carga, pese a que su velocidad ya ha superado los 2,8 kms/segundo:



En realidad todavía no se ha abandonado la atmósfera terrestre, lo que se ha abandonado es la parte más densa de la sopa de oxígeno y nitrógeno que nos vio nacer, lo que viene a ser la troposfera, que es donde vivimos habitualmente, la estratosfera, donde llega el avión, la mesosfera y un pelín de termosfera.

Las atmósferas planetarias se siguen considerando como tal mientras existan moléculas fijadas por la gravedad del planeta o satélite natural en cuestión, en el caso de la Tierra eso se extiende hasta unos 10.000 kilómetros de la superficie.

La Estación Espacial Internacional, se encuentra a 450 kilómetros, en plena atmósfera.

Sigamos con la búsqueda del vacío o la nada, alrededor de los planetas no podemos buscar, están llenos de polvos, gases y demás basurilla, hay que alejarse.

En los 500 millones de años luz que mide nuestro universo, puede observarse como las galaxias se agrupan en supercúmulos, (indicados en azul claro), dejando "vacíos" en medio ("voids" en rojo). 

Pero estos vacíos no están realmente vacíos:


En el universo, la materia no está por ahí esparcida sin orden ni concierto. La gravedad hace que la materia tienda a agruparse dando lugar a "formas".

Una de las "formas" más conocidas (y pequeñas) son las galaxias, en ellas hay cientos de millones de estrellas, sistemas solares y demás, separados por grandes distancias alcanzan un equilibrio gravitatorio que la mantiene orbitando en uno o varios centros de masas, dando lugar a diferentes morfologías galácticas, espirales (como nuestra Vía Láctea), lenticulares, irregulares, elípticas, peculiares...

La mayoría de galaxias tienen millones de años-luz de diámetro.

Pero las galaxias tampoco van flotando por ahí sin más, la gravedad de nuevo las hace interactuar entre sí para dar lugar a formas nuevas cada vez más grandes, grupos, cúmulos, supercúmulos.

Nuestra Vía Láctea forma parte del Grupo Local, con 10 millones de años-luz, que a su vez se encuentra en el supercúmulo de Virgo. El Supercúmulo de Virgo tiene ya un tamaño respetable, (entre 100 y 200 millones de años-luz de diámetro).

A este nivel los tamaños empiezan a aturdir, se pierde la perspectiva.

Para orientarnos un poco, diré que con las naves espaciales más veloces que se han construido hasta ahora, alcanzan 71,23 kilómetros/segundo de velocidad pico), necesitaríamos entre cuarenta y setenta veces la edad del universo presente para atravesarlo; y todo eso yendo en línea recta, sin tener en cuenta las órbitas y demás molestias viarias cósmicas.

Distribución filamentosa de la materia en un "corte en el universo" con forma de cubo que permite distinguir los vacíos que se forman en medio. Se le llama telaraña cósmica. Imagen: NASA, ESA:


La gravedad es la fuerza más débil de todas, pero... tiene un alcance infinito y sigue actuando más allá de estos enormes supercúmulos. Así que sigue estableciendo estructuras o formas aún mayores: las grandes murallas y los filamentos.

Se trata de larguísimos hilos (los filamentos) y cintas u hojas (las murallas), compuestos por nubes de gas y supercúmulos galácticos.

La estructura más grande de todo el universo conocido es una de estas hojas: la Gran Muralla de Hércules-Corona Boreal, que fue descubierta en el 2.013.

Tiene más de 10.000 millones de años-luz de longitud, (un 10% del universo observable) y 8.300 millones de ancho, pero sólo 800 millones de espesor.

Es curioso, en las escalas más inmensas, empezando por las galaxias y terminando por estos filamentos tan grandes como inconcebibles, a la gravedad le encanta crear formas tirando a planas.

Si se pudiera visualizar la Gran Muralla de Hércules a escala humana, sería como un libro en formato DIN A4 con apenas un dedo de espesor.

La mayoría de materia del universo se concentra en tales estructuras, eso significa que el espacio entre ellas está esencialmente... hueco.

Así que igual que existen estas enormes formas, existen grandes vacíos, inmensas regiones del cosmos donde no hay apenas nada. El más cercano es el Vacío Local, está justo al lado de nuestro Grupo Local. Se estima que mide unos 250 x 160 millones de años-luz, estos vacíos no están huecos del todo, hay galaxias y tal, sólo que con una densidad muchísimo menor de la habitual.

Este sería el tiempo del viaje a bordo de una nave espacial de aceleración constante (en este caso, 1g), que acelera hasta la mitad del camino, decelera durante la otra mitad, debido a la dilatación temporal relativista. La escala de distancia es logarítmica de base 10, mientras que la de tiempo son años corrientes y molientes. Este tipo de naves están fuera del alcance de nuestra tecnología, pero ninguna ley física fundamental prohibe su existencia:



Si nos alejásemos de la Tierra en esta nave imaginaria para dirigirnos al Vacío Local, veríamos como los escudos exteriores comienzan a calentarse, están rozando contra algo invisible, pero que sigue ahí, lo hacen contra los últimos restos de atmósfera terrestre, pero incluso cuando ya hemos abandonado el planeta sigue existiendo rozamiento y es que este vacío no está tan vacío.

Aunque la densidad de la materia sea muy baja, el medio interplanetario está yendo de rayos cósmicos, gases, plasma del viento solar, polvo. O sea, que hay que avanzar a través de esta sopa, muy tenue, pero muy real, compuesta por electrones, fotones, protones, núcleos atómicos, moléculas átomos enteros e incluso granos de polvo completos.

Todo esto suponiendo que no nos topemos con un pedrusco algo más grande de los que abundan en el Sistema Solar.

Un minúsculo grano de polvo cósmico (0,00000000001 gramos) yendo a un 95% de la velocidad de la luz lleva tanta energía como una bala pesada de ametralladora del calibre .50 BMG: 20.000 julios.

Pero subidos en nuestra nave relativista no hacemos nada, gana sólo un 70% de tiempo de a bordo, vamos que para ir a unos míseros 100 años-luz hay que pasar 30 años a bordo.

Si queremos llegar al Vacío Local en nuestra nave hay que ir más deprisa, más cerca de la velocidad de la luz, rozándola.

A esas velocidades, de cero coma seguido de muchos nueves, incluso el impacto de un átomo de hidrógeno puede tener la energía de la bala ametralladora de antes, o... según el número de nueves después de la coma, la de una bomba atómica.

Teniendo en cuenta que el medio interplanetario puede tener unos 10 millones de partículas por metro cúbico y que una nave rozando la velocidad de la luz recorre poco menos de trescientos millones de metros por segundo, significaría que la nave estaría sometida a una ráfaga constante y brutal de impactos y ríete tú del cañón del A-10.

Pues nada, hay que salir del medio interplanetario, alejándonos de los planetas, lejos del Sistema Solar, hay que abandonar la heliosfera, para eso hay que superar la heliopausa, la región donde el medio interestelar detiene el viento solar.

Lo que pasa es que ahora abandonamos el medio interplanetario y nos adentramos en el medio interestelar y resulta que allí hay más rayos cósmicos, más polvo, más gas, eso sí, con una densidad menor, a efectos prácticos estaríamos en las mismas, no nos encontramos con un vacío verdadero y mucho menos con la nada.

Imagen de la distribución de gases ionizados en parte de nuestra galaxia:


Conforme nos vamos alejando de la Vía Láctea y sus estrellas, nubes de gas y demás, pasamos al medio intergaláctico y al medio intra-cúmulos. Aquí ya queda poco polvo, pero sigue habiendo átomos de hidrógeno a razón de uno por metro cúbico junto a potentes campos electromagnéticos.

Este hidrógeno está a millones de grados de temperatura, por lo que se encuentra en estado plasmático fuertemente ionizado, pero como es tan tenue, si abandonaras la nave ahí sentirías únicamente la temperatura correspondiente a la radiación de fondo cósmico, 2,74 grados por encima del cero absoluto, o sea, unos 280º bajo cero.

Entonces... como es posible que ese gas tan tenue se mantenga tan caliente?? Pues porque está en movimiento. Tiene que haberse movido y seguir moviéndose muy rápido para escapar de las galaxias, de los supercúmulos y de todos esos bichos gigantescos con sus monumentales tirones gravitatorios.

La temperatura termodinámica mide eso... cuánto se mueven las partículas que constituyen un medio, como ahí en el casi-vacío no hay nada que las pare, pues se mantienen a alta temperatura, eso sí, si te sales de la nave te congelarás de tal modo que el nitrógeno líquido te parecerá café caliente.

La mayoría de la materia bariónica de este universo (la que nos forma a nosotros), está en este medio intergaláctico, ni en los planetas, ni en las estrellas, ni en las grandes nebulosas, el 50% de la materia bariónica existe en forma de este plasma de hidrógeno ultra-tenue que va rulando por el espacio intergaláctico y el resto se reparte entre todo lo demás.

Incluso en lo más profundo de esos grandes vacíos nos vamos a encontrar siempre con un poquito de algo, normalmente este plasma de hidrógeno fuertemente ionizado.

En cuanto a la nada... la palabra nada no se utiliza en ciencia, no equivale al número 0 ni nada por el estilo; de hecho no tiene un significado científico, es más filosofía que otra cosa.

Si no hubiera más remedio que definir la nada, diría que es un estado carente de espacio-tiempo y temperatura y por lo tanto de entropía. Por supuesto dicho estado ni existe ni es viable en este Universo.

La nada sería como el no-universo o el estado de la realidad si no se hubiera producido el Big Bang.

En el supuesto de que encontráramos una zona en el Universo en estado fundamental, sin ninguna partícula, lo que llamamos el vacío cuántico... seguiríamos encontrando como mínimo campos electromagnéticos que lo atraviesan, fluctuaciones cuánticas como consecuencia del principio de incertidumbre o lo que quiera que sea que origine la energía del vacío para dar lugar a fenómenos como el efecto Casimir.

Resumen del tocho: la nada no existe y tampoco el vacío.

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