Siete Breves Lecciones De Física — Carlo Rovelli / Seven Brief Lessons on Physics by Carlo Rovelli

Este es, de hecho, un libro muy breve de lecciones o capítulos muy breves, y es intrigante, elusivo, seductor y finalmente humillante a la vez. Tendré que volver a leerlo varias veces. La elegancia y la poesía fáciles de la escritura enmascaran engañosamente todo un mundo de cosas que se describen, y las lecciones más amplias y mejores no son realmente acerca de la física en absoluto.
Hasta ahora, mi última experiencia con la física fue una clase sénior de segundo semestre en la escuela secundaria cuando, (habiendo sido aceptado en la universidad), perdí temporalmente la paciencia para absorber más aprendizaje conceptual. Sin embargo, sí tuve la capacidad suficiente para burlar a los nerds de la clase que eran capaces de usar conceptos de física, 3 clips de papel y otras piezas variadas para construir una radio en funcionamiento.
Leí sobre este libro en The Economist. Compré este libro, en parte, para expiar mis pecados de la escuela secundaria, y también para finalmente superar mi fobia de la teoría general de la relatividad. También lo quería como una forma rápida de actualizarse en conceptos clave de física en bits de “tamaño de mordisco”, adecuados para impresionar a las personas en las fiestas. (Porque ser impresionante en las fiestas, todos deberían tener su propio “discurso elevador” preparado sobre el significado de la teoría de la relatividad, ¿no?)
Este libro me dio más, y menos, de lo que esperaba. Todavía no cuento con mis discursos de ascensor sobre temas como la relatividad, la mecánica cuántica, la termodinámica o los agujeros negros; las lecciones son realmente elegantes pero sin detalles suficientes para dominar completamente los temas en cuestión. De hecho, en todo caso, la simplicidad y la elegancia del libro me han hecho sentir aún más estúpido que cuando comencé … “si este profesor de Física italiano puede describir estas cosas tan simple y elegantemente, realmente debo ser un poco ingenioso, porque Todavía estoy desconcertado “. (Recuerde: por el momento, evite los ascensores o las fiestas).
Sin embargo, incluso en su brevedad, el libro ofrece mucho más. Existe el entusiasmo y la emoción que imbuye las descripciones (incluso breves) de la física y los conceptos relacionados. Salí con un deseo genuino de ir tras estos temas en niveles sucesivamente mayores de detalle, para, finalmente, conquistarlos. Por lo menos veo otra serie de sesiones con un famoso libro de Stephen Hawking en mi futuro.
Los temas específicos de física son solo el nivel más obvio en este delgado volumen. También toca implícita y explícitamente la naturaleza de la investigación científica, las ideas sobre las actuales teorías de la física de vanguardia y cómo se desarrollan, y (por último) cómo piensan los científicos. Leer acerca de esto en tonos tan efectivos pero prácticos fue extremadamente esclarecedor.
La séptima y última lección del libro es una que ya he leído tres veces, porque es tan maravillosa … una homilía de un alma reflexiva sobre las complejidades del universo, las percepciones y complejidades de los humanos que habitan en su pequeño lugar en ella , y una sincera maravilla sobre los descubrimientos en curso que tenemos frente a nosotros. El último capítulo, “nosotros mismos”, es realmente encantador, y podría ser independiente, con o sin los 6 capítulos anteriores.

La primera lección trata de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la «más hermosa de las teorías». La segunda, de la mecánica cuántica, donde se ocultan los aspectos más desconcertantes de la física moderna. La tercera está dedicada al cosmos: la arquitectura del universo que habitamos. La cuarta, a las partículas elementales. La quinta, a la gravedad cuántica: el actual esfuerzo por construir una síntesis de los grandes descubrimientos del siglo XX. La sexta trata de la probabilidad y el calor de los agujeros negros. El último capítulo del libro, para terminar, se centra de nuevo en nosotros, y en él se plantea cómo podemos llegar a concebirnos en el extraño mundo descrito por esta física.

Una impresionante simplificación del mundo: el espacio ya no es algo distinto de la materia, es uno de los componentes «materiales» del mundo. Una entidad que ondula, se dobla, se curva, se tuerce. No estamos contenidos en una invisible estantería rígida: nos hallamos inmersos en un gigantesco molusco flexible. El Sol dobla el espacio en torno a sí, y la Tierra no gira a su alrededor atraída por una misteriosa fuerza, sino porque discurre en línea recta en un espacio que se inclina. Como una bolita que rodara en un embudo: no hay «fuerzas» misteriosas generadas por el centro del embudo; es la propia naturaleza curva de las paredes la que hacer girar la bolita. Los planetas giran alrededor del Sol y las cosas caen porque el espacio se curva.
El espacio entero puede extenderse y dilatarse; mejor dicho, la ecuación de Einstein indica que el espacio no puede mantenerse inmóvil, debe estar en expansión. En 1930 se observó de hecho la expansión del universo. La misma ecuación predice que la expansión tiene que ser el resultado de la explosión de un joven universo pequeñísimo
y calentísimo: es el Big Bang. Una vez más, nadie lo cree, pero las pruebas se acumulan, hasta que se observa en el cielo la «radiación cósmica de fondo»: el difuso resplandor que queda del calor de la explosión inicial. La predicción de la ecuación de Einstein es correcta.
Y, de nuevo, la teoría predice que el espacio se encrespa como la superficie del mar; los efectos de esas «ondas gravitatorias» se observan en el cielo en las estrellas binarias, y encajan con las previsiones de la teoría con la pasmosa precisión de una parte sobre cien mil millones. Y así sucesivamente.
En suma, la teoría describe un mundo colorido y asombroso, donde explotan universos, el espacio se precipita en agujeros sin salida, el tiempo se ralentiza al descender sobre un planeta, y las ilimitadas extensiones del espacio interestelar se encrespan y ondean como la superficie del mar…

En la mecánica cuántica ningún objeto tiene una posición definida, salvo cuando tropieza contra alguna otra cosa. Para describirlo a mitad de vuelo entre una interacción y otra, se utiliza una abstrusa función matemática que no habita en el espacio real, sino en abstractos espacios matemáticos.
Pero aún hay más: esos saltos con los que todo objeto pasa de una interacción a otra no se producen de un modo previsible, sino mayoritariamente al azar. No es posible prever dónde aparecerá de nuevo un electrón, sino únicamente calcular la probabilidad de que aparezca aquí o allá. La probabilidad asoma la cabeza en el corazón de la física, allí donde parecía que todo estaba regulado por leyes precisas, unívocas e inderogables.

En la primera mitad del siglo  XX, Einstein describió la trama del espacio y el tiempo con la teoría de la relatividad, mientras que Bohr y sus jóvenes amigos capturaron en ecuaciones la extraña naturaleza cuántica de la materia. En la segunda mitad del siglo XX, los físicos construyeron sobre esos cimientos, aplicando las dos nuevas teorías a los ámbitos más diversos de la naturaleza: desde el macrocosmos de la estructura del universo hasta el microcosmos de las partículas elementales. Pero hacia la década de 1930 las precisas mediciones que realizan los astrónomos de las nebulosas –nubecillas blanquecinas situadas entre las estrellas– demuestran que también la Galaxia es a su vez un grano de polvo en una inmensa nube de galaxias, cientos de miles de millones de ellas, que se extienden más allá de donde alcanza la visión de nuestros telescopios más potentes. El mundo se ha convertido ahora en una extensión uniforme e ilimitada.
El universo nace como una bolita y luego explosiona hasta alcanzar sus actuales dimensiones cósmicas. Ésta es nuestra imagen actual del universo, a la mayor escala que conocemos.

Pese a su oscuridad, su falta de elegancia y las cuestiones que todavía permanecen abiertas, las teorías físicas de las que he hablado aquí describen el mundo mejor de cuanto se haya hecho nunca en el pasado. Deberíamos estar, pues, bastante satisfechos. Pero no lo estamos.
Se da una situación paradójica en el núcleo de nuestro conocimiento del mundo físico. El siglo XX nos ha dejado las dos joyas de las que ya he hablado: la relatividad general y la mecánica cuántica. Sobre la primera han crecido la cosmología, la astrofísica, el estudio de las ondas gravitatorias, de los agujeros negros y muchas otras cosas. La segunda se ha convertido en la base de la física atómica, la física nuclear, la física de las partículas elementales, la física de la materia condensada y muchas otras cosas. Dos teorías pródigas en dones y fundamentales para la tecnología actual, que han cambiado nuestra forma de vivir. Y, sin embargo, estas dos teorías no pueden ser ambas correctas, al menos en su forma actual, puesto que se contradicen mutuamente.
La predicción central de la teoría de los bucles es, pues, que el espacio no es continuo, no es divisible hasta el infinito, sino que está formado por granos, esto es, por «átomos de espacio». Estos últimos son extremadamente minúsculos: cien mil millones de millones de veces más pequeños que el más pequeño de los núcleos atómicos. La teoría describe en forma matemática esos átomos de espacio y las ecuaciones que determinan su evolución. Se denominan «bucles», o «anillos», porque ninguno de ellos está aislado, sino «anillado» a otros similares, formando una red de relaciones que teje la trama del espacio.
Si la teoría de la gravedad cuántica de bucles es correcta, la materia no puede realmente colapsar en un punto infinitesimal. Porque no existen puntos infinitesimales: existen solamente regiones finitas de espacio. Al desmoronarse bajo su propio peso, la materia debe de haberse hecho cada vez más densa, hasta el punto de que la mecánica cuántica no ha generado una presión contraria capaz de contrarrestar el peso. Este hipotético estado final de la vida de una estrella, en el que la presión generada por las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo equilibra el peso de la materia, es lo que se conoce como «estrella de Planck». Si el Sol, al dejar de arder, formara un agujero negro, éste tendría un diámetro de cerca de un kilómetro y medio. En su interior seguiría precipitándose toda su materia, hasta convertirse en una estrella de Planck. Sus dimensiones serían entonces similares a las de un átomo: toda la materia del Sol concentrada en el espacio de un átomo. Ese estado extremo de la materia constituiría una estrella de Planck.
Una estrella de Planck no es estable: una vez comprimida al máximo, rebota y empieza a expandirse de nuevo, lo que lleva a la explosión del agujero negro.
La Tierra no es plana, no está inmóvil. Si probamos a juntar cuanto hemos aprendido sobre el mundo físico en el siglo XX, todos los indicios apuntan a algo profundamente distinto de nuestras ideas instintivas sobre la materia, el espacio y el tiempo. La gravedad cuántica de bucles constituye una tentativa de descifrar esos indicios y poder mirar un poco más lejos.

El calor de los agujeros negros es un efecto cuántico sobre un objeto, el agujero negro, que es de naturaleza gravitatoria. Son los cuantos individuales de espacio, los granos elementales de espacio, las «moléculas» que al vibrar calientan la superficie de los agujeros negros y generan el calor propio de éstos. Pero este fenómeno involucra a la vez la mecánica estadística, la relatividad general y la ciencia del calor. Si bien quizá estamos empezando a entender algo sobre la gravedad cuántica, que combina dos de las tres piezas del puzzle, en cambio no tenemos aún ni la más mínima teoría capaz de aunar las tres piezas de nuestro saber fundamental sobre el mundo, y todavía no entendemos bien por qué sucede este fenómeno.
El calor de los agujeros negros es una piedra de Rosetta, escrita a caballo entre tres lenguas –cuantos, gravedad y termodinámica–, que espera a ser descifrada para decirnos qué es de verdad el discurrir del tiempo.

Nuestra especie no durará mucho. No parece tener la madera de las tortugas, que han seguido existiendo iguales a sí mismas durante cientos de millones de años, cientos de veces más de lo que llevamos existiendo nosotros. Pertenecemos a un género de especies de vida breve. Nuestros primos se han extinguido ya todos. Y nosotros causamos daños. Los cambios climáticos y medioambientales que hemos provocado han sido brutales, y difícilmente nos perdonarán. Para la Tierra será un pequeño parpadeo irrelevante, pero no creo que nosotros salgamos indemnes; tanto más cuanto que la opinión pública y la política prefieren ignorar los peligros que estamos corriendo y esconder la cabeza bajo el ala. Probablemente seamos la única especie de la Tierra consciente de la inevitabilidad de nuestra muerte individual: me temo que pronto habremos de convertirnos también en la especie que verá llegar conscientemente su propio final o, cuando menos, el fin de su propia civilización.
Según afrontemos, más o menos bien, nuestra muerte individual, así afrontaremos la caída de nuestra civilización. La naturaleza es nuestro hogar y en la naturaleza estamos en casa. Este mundo extraño, variopinto y asombroso que exploramos, donde el espacio se desgrana, el tiempo no existe y las cosas pueden no estar en ningún sitio, no es algo que nos aleja de nosotros: es sólo lo que nuestra natural curiosidad nos enseña de nuestro hogar. De la trama de la que nosotros mismos estamos hechos. Estamos hechos del mismo polvo de estrellas del que están hechas las cosas, y ya sea cuando nos hallamos inmersos en el dolor, ya sea cuando reímos y resplandece la alegría, no hacemos sino ser lo que no podemos dejar de ser: una parte de nuestro mundo.

This is indeed, a very brief book of very brief lessons or chapters, and it is intriguing, elusive, seductive and ultimately humbling all at once. I’ll need to read it again several times over. The easy elegance and poetry of the writing deceptively masks a whole world of things being described, and the broader, better lessons aren’t really about physics at all.
Hitherto, my last experience with physics was a 2nd semester senior class in high school when, (having been accepted to university), I temporarily lost patience for absorbing further conceptual learning. I did, however, have ample capacity for sniggering at the nerds in the class who were capable of using physics concepts, 3 paper clips and assorted other parts to construct a functioning radio.
I read about this book in the Economist. I bought this book, in part, to atone for my high school sins, and also to finally overcome my phobia of the general theory of relativity. I also wanted it as a quick way to get refreshed on key physics concepts in “bite size” bits, suitable for impressing people at parties. (Because To be impressive at parties, everyone really should have their own “elevator speech” ready on the meaning of the theory of relativity, right?)
This book gave me both more—and less—than I bargained for. I still don’t have my elevator speeches on topics such as relativity, quantum mechanics, thermodynamics or black holes; the lessons are indeed elegant but without sufficient detail to fully master the topics at hand. In fact, if anything, the simplicity and elegance of the book have made me feel even stupider than when I started…”if this Italian Physics professor can describe these things so simply and elegantly, I really must be a half-wit, because I’m still mystified.” (Memo to self: avoid elevators or parties for now.)
However, even in its brevity the book gives a good deal more. There is the enthusiasm and excitement that imbues the (even brief) descriptions of physics and related concepts. I came away with a genuine desire to go after these topics in successively greater levels of detail, in order, finally, to conquer them. At the very least I see another series of sessions with a famous Stephen Hawking book in my future.
The specific physics topics are only the most obvious level in this slim volume. It also touches both implicitly and explicitly on the nature of scientific enquiry, insights into the current bleeding edge physics theories and how they’re developed, and (lastly) how scientists think. To read about this in such effective but matter-of-fact tones was extremely enlightening.
The 7th and final lesson in the book is one which I’ve read three times already, because its so marvelous….a homily by a thoughtful soul on the complexities of the universe, the perceptions and complexities of humans inhabiting their small place in it, and a heartfelt wonder about the ongoing discoveries we have in front of us. The final chapter, “ourselves” really is lovely, and could easily stand alone, with or without the preceding 6 chapters.

The first lesson deals with Albert Einstein’s theory of general relativity, the “most beautiful of theories.” The second, of quantum mechanics, where the most disconcerting aspects of modern physics are hidden. The third is dedicated to the cosmos: the architecture of the universe we inhabit. The fourth, to the elementary particles. The fifth, to quantum gravity: the current effort to build a synthesis of the great discoveries of the twentieth century. The sixth deals with the probability and heat of black holes. The last chapter of the book, to finish, focuses again on us, and in it it is posed how we can get to conceive ourselves in the strange world described by this physics.

An impressive simplification of the world: space is no longer something different from matter, it is one of the “material” components of the world. An entity that undulates, bends, curves, twists. We are not contained in an invisible rigid shelf: we are immersed in a gigantic flexible mollusk. The Sun bends the space around itself, and the Earth does not revolve around it attracted by a mysterious force, but because it runs in a straight line in a space that bends. Like a ball rolling in a funnel: there are no mysterious “forces” generated by the center of the funnel; it is the curved nature of the walls that make the ball turn. The planets revolve around the Sun and things fall because space is curved.
The entire space can extend and expand; rather, the Einstein equation indicates that space can not remain motionless, it must be expanding. In 1930 the expansion of the universe was actually observed. The same equation predicts that the expansion must be the result of the explosion of a young, tiny universe
and hot: it’s the Big Bang. Once again, no one believes it, but the evidence accumulates, until the “cosmic background radiation” is observed in the sky: the diffuse glow remaining from the heat of the initial explosion. The prediction of Einstein’s equation is correct.
And, again, the theory predicts that space curls like the surface of the sea; the effects of these “gravitational waves” are observed in the sky in the binary stars, and fit with the predictions of the theory with the astonishing precision of a part over one hundred billion. And so on.
In short, the theory describes a colorful and amazing world, where universes explode, space rushes into holes without exit, time slows down when descending on a planet, and the unlimited extensions of interstellar space curl and wave like the surface of the planet. sea…

In quantum mechanics, no object has a definite position, except when it stumbles against something else. To describe it halfway between one interaction and another, an abstruse mathematical function is used that does not inhabit real space, but in abstract mathematical spaces.
But there is still more: those jumps with which all objects pass from one interaction to another do not occur in a predictable way, but mostly at random. It is not possible to predict where an electron will appear again, but only to calculate the probability that it appears here or there. The probability appears the head in the heart of the physics, where it seemed that everything was regulated by precise laws, univocal and non-derogable.

In the first half of the 20th century, Einstein described the plot of space and time with the theory of relativity, while Bohr and his young friends captured in equations the strange quantum nature of matter. In the second half of the 20th century, physicists built on these foundations, applying the two new theories to the most diverse areas of nature: from the macrocosm of the structure of the universe to the microcosm of elementary particles. But by the 1930s the precise measurements made by the astronomers of the nebulae – whitish white clouds between the stars – show that the galaxy is itself a grain of dust in an immense cloud of galaxies, hundreds of billions of they, which extend beyond where the vision of our most powerful telescopes reaches. The world has now become a uniform and unlimited extension.
The universe is born like a small ball and then it explodes until reaching its current cosmic dimensions. This is our current image of the universe, at the largest scale we know.

In spite of its darkness, its lack of elegance and the questions that still remain open, the physical theories of which I have spoken here describe the better world of what has ever been done in the past. We should be, then, quite satisfied. But we are not.
There is a paradoxical situation at the core of our knowledge of the physical world. The twentieth century has left us with the two gems of which I have already spoken: general relativity and quantum mechanics. On the first have grown cosmology, astrophysics, the study of gravitational waves, black holes and many other things. The second has become the basis of atomic physics, nuclear physics, the physics of elementary particles, the physics of condensed matter and many other things. Two prodigal theories in gifts and fundamental for current technology, which have changed the way we live. And, nevertheless, these two theories can not be both correct, at least in their current form, since they contradict each other.
The central prediction of the theory of loops is, then, that space is not continuous, it is not divisible to infinity, but it is formed by grains, that is, by “atoms of space”. The latter are extremely tiny: one hundred billion million times smaller than the smallest of the atomic nuclei. The theory describes in mathematical form those atoms of space and the equations that determine its evolution. They are called “loops”, or “rings”, because none of them is isolated, but “ringed” to other similar ones, forming a network of relationships that weaves the weft of space.
If the theory of loop quantum gravity is correct, matter can not really collapse at an infinitesimal point. Because there are no infinitesimal points: there are only finite regions of space. By falling apart under its own weight, the matter must have become increasingly dense, to the point that quantum mechanics has not generated a counter pressure capable of counteracting the weight. This hypothetical final state of a star’s life, in which the pressure generated by the quantum fluctuations of space-time balances the weight of matter, is what is known as the “Planck star”. If the Sun, when it stops burning, forms a black hole, it would have a diameter of about one and a half kilometers. In his interior all his matter would continue to precipitate, until becoming a star of Planck. Its dimensions would then be similar to those of an atom: all the matter of the Sun concentrated in the space of an atom. That extreme state of matter would constitute a Planck star.
A Planck star is not stable: once compressed to the maximum, it bounces and begins to expand again, leading to the explosion of the black hole.
The Earth is not flat, it is not motionless. If we try to put together what we have learned about the physical world in the twentieth century, all the evidence points to something profoundly different from our instinctive ideas about matter, space and time. Loop quantum gravity is an attempt to decipher these clues and look a little further.

The heat of black holes is a quantum effect on an object, the black hole, which is gravitational in nature. They are the individual quanta of space, the elementary grains of space, the “molecules” that when heated vibrate the surface of black holes and generate their own heat. But this phenomenon involves both statistical mechanics, general relativity and the science of heat. While perhaps we are beginning to understand something about quantum gravity, which combines two of the three pieces of the puzzle, we do not yet have the slightest theory capable of combining the three pieces of our fundamental knowledge about the world, and still not We understand well why this phenomenon happens.
The heat of the black holes is a Rosetta stone, written between three languages ​​-so many, gravity and thermodynamics-, waiting to be deciphered to tell us what the flow of time really is.

Our specie (human beings) will not last long. It does not seem to have the wood of the turtles, which have continued to exist as if they were hundreds of millions of years, hundreds of times more than we have been. We belong to a genus of short-lived species. Our cousins ​​are now extinct. And we cause damage. The climatic and environmental changes that we have caused have been brutal, and will hardly forgive us. For the Earth it will be a small irrelevant flicker, but I do not think that we will leave unscathed; all the more so as public opinion and politics prefer to ignore the dangers we are running and hide our heads under the wing. We are probably the only species on Earth aware of the inevitability of our individual death: I fear that soon we will also become the species that will consciously reach its own end or, at least, the end of its own civilization.
As we face, more or less well, our individual death, we will face the fall of our civilization. Nature is our home and in nature we are at home. This strange, colorful and amazing world that we explore, where space is shredded, time does not exist and things can not be anywhere, it is not something that takes us away from us: it is only what our natural curiosity teaches us about our home. Of the plot of which we ourselves are made. We are made of the same dust of stars of which things are made, and either when we are immersed in pain, whether we laugh and shines with joy, we only become what we can not stop being: a part of our world.

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