Un viaje rápido por la física E-Book

Kirara Takaoka

• Herausgeber: Grupo Editorial Atlas
• Kategorie: Für Kinder und Jugendliche
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 111

Beschreibung

Un viaje rápido por la física es un libro introductorio a la física. Habla sobre los temas más actuales de la física moderna usando palabras simples y un enfoque divertido. Trata temas como la relatividad de Eistein y la mecánica cuántica, teorías fundamentales para esta rama de la ciencia. La pasión por la física ha llevado a Kirara a devorar libros y todo tipo de materiales relacionados con el tema. Es una disciplina que aún no se incluye en el currículum de grado, pero a su temprana edad, ya ha escrito un compendio de los temas más candentes de la física en estos días. Patricia Toyotoshi directora ejecutiva del Colegio Japonés Paraguayo.

Leseprobe

KIRARA TAKAOKA

UN VIAJE RÁPIDO POR LA FÍSICA

y por qué nuestro universo es como es

Copyright © 2022

Un viaje rápido por la Física y por qué nuestro universo es como es

Autora: Kirara Takaoka

Diseño de tapa: Eduardo Molinas

ISBN: 978-99925-299-7-3

Derechos Reservados. Es propiedad del autor. Esta publicación no puede ser reproducida total y/o parcialmente ni archivada o transmitida por ningún medio electrónico, mecánico, de grabación, de fotocopia, de microfilmación o en otra forma, sin permiso previo del autor.

Agradecimientos

Al escribir este pequeño libro conté con la ayuda de unas personas que hicieron que pudiera terminarlo de buena forma.

Primeramente, quiero dar las gracias a mis padres, que me escucharon y me animaron en este proyecto.

Quiero agradecer a Patricia Toyotoshi, directora ejecutiva del Colegio Japonés Paraguayo, por tomarse el tiempo para escribir el prólogo del libro.

Quiero agradecer a Sara Ltaif, quien me ayudó a escribir todo el libro, dando sus opiniones bien argumentadas. Si no fuera por ella, puedo decir que este escrito hubiese sido bastante desordenado.

Y, finalmente, doy las gracias a Juliana Dávalos, Sandra Vouga, Alysa Ibarra, Ivo Enciso y Guillermo Mazier, quienes además de tomarse el tiempo para leer el libro, aportaron ideas y conocimientos y me dieron consejos.

Índice

Prólogo

Introducción

Primera Parte: LA RELATIVIDAD

Capítulo I: Relatividad especial

Capítulo II: Relatividad general

Capítulo III: Agujeros negros

Capítulo IV: Agujeros de gusano y viajes en el tiempo

Interludio I: Viajar al futuro

Segunda Parte: MECÁNICA CUÁNTICA

Capítulo V: Ondas y teletransportes

Capítulo VI: La función de onda de Schródinger y las antipartículas de Dirac

Capítulo VII: Electrodinámica cuántica

Capítulo VIII: La cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil

Capítulo IX: La partícula de Dios y cómo el vacío no está vacío

Capítulo X: El modelo estándar

Capítulo XI: ¿Qué está pasando con los muones?

Capítulo XII: Más rarezas del mundo cuántico

Interludio II: El efecto Casimir

Capítulo XIII: Superconductores

Capítulo XIV: Energía nuclear

Capítulo XV: Computadoras cuánticas

Interludio III: Los taquiones

Capítulo XVI: Un poco de historia

Tercera Parte: FÍSICA ESPECULATIVA

Capítulo XVII: El universo en una cuerda

Capítulo XVIII: Multiversos

Interludio IV: Multiversos según la cosmología moderna

Capítulo XIX: ¿Vivimos en una simulación?

Capítulo XX: Gracias al campo de Higgs podemos vivir en un mundo muy extraño

Capítulo XXI: ¿Vivimos en un holograma?

Capítulo XXII: ¿Todo lo que está pasando ya pasó?

Capítulo XXIII: La evolución del universo

Epílogo

Lecturas recomendadas

Líneas del tiempo

Bibliografía

Prólogo

“Formar personas humanamente íntegras, éticas y proactivas; capaces de aprender colaborativa y autónomamente, en contextos de aprendizajes multiculturales, socioafectivos, tecnológicos y de producción del conocimiento. Siendo competentes tanto para emprender actividades innovadoras en un mundo en transformación como para liderar proyectos en beneficio del bien común de la nación y de la humanidad. Asumiendo así, la vida como un camino a la prosperidad y al servicio que realizan plenamente a la persona”.

Declaración de la misión institucional en el proyecto estratégico institucional del CJP 2021/2025.

Kirara Takaoka, hija mayor de Adela Benítez y Sumihiro Takaoka, alumna del octavo grado del Colegio Japonés Paraguayo, a más de representar todos los valores de la institución y de llenar las expectativas de la misión institucional, se destaca por ser una adolescente sumamente talentosa.

Su atracción hacia todo lo que implique un desafío, y en especial hacia el aprendizaje, la ha llevado a desarrollar su fascinación por la física. No solo es autodidacta, organizada y autónoma, sino que persevera para lograr la excelencia.

La pasión por la física ha llevado a Kirara a devorar libros y todo tipo de materiales relacionados con el tema. Es una disciplina que aún no se incluye en el currículum del grado, pero, a su temprana edad, ya ha escrito un compendio de los temas más candentes de la Física en estos días.

Los temas desarrollados son conceptos sumamente difíciles de entender, pero Kirara no solamente ha captado la esencia de estos, sino que explica con términos y ejemplos sencillos lo que los grandes pensadores han descubierto hasta la fecha.

La imaginación ilimitada de Kirara y su deseo de adentrarse en un mundo que aún tiene tanto por descubrir nos llenan de expectativas como formadores, padres y espectadores, pues con su talento, perseverancia y empatía, quizás, en un futuro, formará parte de un equipo de físicos que creará tecnologías que podrían ayudar a mejorar la calidad de vida de la humanidad.

Patricia Toyotoshi

Diciembre del 2021

Introducción

El título de este libro no es tan fiable como me gustaría. Si realmente viéramos todo el conocimiento que la física en sí tiene, este libro tendría más de cien mil páginas aseguradas. Porque este viaje tuvo su comienzo hace más de dos mil años, en la época de los antiguos pensadores griegos.

Más específicamente, el que comenzó a buscar explicaciones para nuestro mundo, que no sean dioses o entes divinos, fue Tales de Mileto. Desde este momento tan crucial para todas las ramas de la ciencia, los seres humanos empezamos a investigar realmente la naturaleza de nuestro universo, de nuestro cosmos.

Algunas veces me gusta pensar qué pasaría si no existiera la ciencia. Aunque la mayoría no lo notamos, la ciencia tiene un fuerte impacto en nuestras vidas, especialmente en las tecnologías que usamos día a día. Como un ejemplo rápido, gracias a que conocemos el comportamiento de los electrones y sabemos controlarlos, tenemos pantallas. Cuando digo “pantallas”, me refiero a aparatos tecnológicos como los teléfonos, las computadoras, los televisores, etc. Revolucionamos de alguna manera nuestros estilos de vida con la ayuda de estos artefactos.

Realmente no quiero adelantar mucho el contenido que se verá a lo largo del escrito, pero yo creo, y espero, que pase algo similar una vez más, pero con una partícula que todavía no sabemos si existe, y que es la “mensajera” de la gravedad: el gravitón.

Si es que aprendemos cómo se comporta y cómo dominarlo de alguna manera, podremos crear autos voladores antigravitacionales y muchos artefactos bastante interesantes.

Ahora, el gran viaje que recorreremos hacia la búsqueda del conocimiento del cosmos constará de tres partes: la primera, relatividad; la segunda, mecánica cuántica; y la última, física especulativa.

En la primera parte estaremos hablando de uno de los dos pilares de la física actual: la relatividad de Einstein. Sería la física de lo grande: planetas, galaxias, cuásares, etc. Veremos los conceptos básicos y también algunos de los tan interesantes efectos que conlleva, como el viaje en el tiempo y la dilatación temporal. Obviamente, tampoco pueden faltar los tan queridos agujeros negros. Dedicaremos un capítulo a estos extraños objetos.

En la segunda parte hablaremos de la física de lo pequeño y, por supuesto, el otro pilar de esta rama de la ciencia: la mecánica cuántica. Como se verá, es totalmente extraña y se sale completamente de nuestro sentido común. En esta sección exploraremos lo que son las interacciones entre las partículas y el modelo estándar de física de partículas, la teoría que describe casi todo lo que ocurre en el mundo subatómico.

En la tercera hablaremos sobre lo que sería la física especulativa. Aquí veremos nuevas teorías —como la teoría de cuerdas— que aún no están comprobadas. Todo lo que cabe en temas más especulativos estará aquí, como la idea de las dimensiones extras y demás.

El objetivo de este libro es solo dar una pequeña introducción a lo que son las partes más emocionantes de la física, por eso solo daré explicaciones breves y las ideas generales de todos los temas, ya que son muy variados.

Teniendo todo esto en manos, empecemos con el viaje.

Primera parte:

LA RELATIVIDAD

y cómo el tiempo ya se vuelve personal

Capítulo i

Relatividad especial

“La teoría de la relatividad no tiene un origen especulativo, sino que debe por entero su nacimiento al deseo de hacer que la teoría física concuerde con los hechos observados”.

Albert Einstein

A mí siempre me ha gustado ir de viaje en tren y simplemente mirar el paisaje. Los árboles, las casas, los hoteles, los restaurantes, las personas que pasan por allí… No sabía que para esa gente que está afuera del vehículo y que no se mueve su tiempo pasa más rápido que el mío. Exagero un poco al decir esto, ya que menos de un quinto de segundo es la diferencia, pero siempre habrá, aunque sea mínima, una diferencia cuando nos movamos a mayor velocidad.

Imaginemos de vuelta la misma escena: una persona A está en el tren, que va a 150 km por hora, en compañía de una persona B. Ahora, las dos están jugando a la pelota, que tiene una velocidad de 15 km por hora según ellos (no van a medir la velocidad del tren, ya que están dentro de él y no sienten el movimiento constante).

Afuera del tren hay una persona C —quieta en ese momento— que quiere calcular la velocidad de la pelota. Así que suma 150 + 15, que es igual a 165 km/h. Esto no tiene nada de raro, ya que forma parte de nuestro sentido común.

Pero compliquemos un poco la escena y pongamos un láser en vez de la pelota. El láser se va a 300.000 km por segundo, la velocidad de la luz (esta velocidad, según la teoría, es la máxima a la que se puede llegar, no se puede pasar). La relatividad especial dice que la velocidad de la luz es constante, que no cambia en absolutamente ninguna ocasión. Así que… ¿qué va a pasar cuando la persona C intente medir la velocidad del láser? ¿Se volverá a sumar? La respuesta es un claro no. El láser tendrá la misma velocidad para la persona C que para A y B.

Pero ¿por qué pasa esto? Porque el tiempo se dilata. Me explico: la velocidad de la luz no se modifica con nada, como ya vimos, ni con el movimiento, pero lo que sí se modifican son el espacio y el tiempo mismos.

Para que la velocidad de la luz se quede igual para la persona C, la única posibilidad es que el tiempo disminuya, que pase más lentamente, porque la velocidad es igual a la distancia recorrida dividido el tiempo, ¿no? Entonces queda el factor de tiempo como algo que se pueda cambiar de alguna manera.

Con todo esto, Einstein demostró que el tiempo no es objetivo y universal, cada uno tiene su propio tiempo, que es relativo y subjetivo. No existe un tiempo universal en el cosmos.

Nosotros no estamos sintiendo la dilatación temporal, porque todo esto depende de la velocidad de la persona en movimiento respecto de la velocidad de la luz. Nuestros medios de transporte son considerablemente lentos en comparación con la velocidad de la luz. Es decir, que para sentir todos estos efectos tenemos que movernos a velocidades cercanas a la ya mencionada.

Ahora, estamos empezando a hacer que el espacio y el tiempo dependan uno del otro: como hemos visto, mientras más rápido nos movemos en el espacio, más lento nos movemos en el tiempo. A esta unión le vamos a llamar espacio-tiempo, ya que el tiempo es inseparable de las tres dimensiones espaciales.

Otra cosa más que Einstein propuso y que debemos tener en cuenta es que esto conlleva que el tiempo se convierta en una dimensión más, teniendo así cuatro dimensiones espaciotemporales.

Un ejemplo para entender esto puede ser una fiesta de cumpleaños. Recibes la invitación y te dicen la ubicación espacial: barrio, calle, número de hogar y piso (si es que es un apartamento). Así que te vas, pero, al llegar, ves que la fiesta ha terminado y has llegado demasiado tarde. La invitación te debía indicar a qué hora ir, así como el lugar (que usa las tres dimensiones espaciales). Por esto también el tiempo es una dimensión.

Antes de terminar este capítulo tan corto, pero tan denso en cuanto a información, presentaré una de las fórmulas más importantes de toda la física: E=mc2. Significa que la masa es igual a la energía. Esta ecuación es muy importante en la historia. Uno de los inventos más magníficos, pero más aterrorizantes, la bomba atómica, depende completamente de esta descripción entre energía y masa.

En resumen, lo que nos llevamos de todo esto es que:

La velocidad de la luz es constante y es la máxima velocidad “permitida” en el universo.

El tiempo es subjetivo e individual.

Hay cuatro dimensiones espaciotemporales.

Capítulo ii

Relatividad general

“La materia le dice al espacio cómo curvarse, el espacio le dice a la materia cómo moverse”.

John Wheeler, sobre la relatividad general.

En 1905, Einstein había dado con su teoría de la relatividad especial. Pero este gran científico llevó a cabo otro gran descubrimiento diez años después: la relatividad general.

Esta teoría cambió completamente la manera en que los físicos miraban la gravedad y su comportamiento. Rompió con la física newtoniana, que, a decir verdad, tenía algunos inconvenientes.

Uno de ellos era el cálculo de la órbita de Mercurio alrededor del Sol. El error de las predicciones fue mínimo, pero había cierta diferencia con las observaciones. Para los astrónomos y físicos era solo un error, pero ese pequeño error lo cambió todo.