Premio Nobel de Física para Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi, los teóricos de los sistemas complejos
La Real Academia de Ciencias Sueca acaba de anunciar la concesión del Nobel de Física a tres científicos por ”sus contribuciones fundamentales para nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos”. Entre esas contribuciones están el desarrollo de modelos matemáticos para comprender el cambio climático y la responsabilidad de los humanos en este proceso global.
Los tres premiados, uno japonés, otro alemán y un tercero italiano comparten el Nobel por sus estudios de grandes fenómenos caóticos y aparentemente aleatorios. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann sentaron las bases para entender la compleja interacción en clima y humanos. Por su parte, Giorgio Parisi ha sido reconocido por sus aportaciones a la teoría de los materiales desordenados y los procesos aleatorios.
El reparto del Nobel de Física de este año no es a partes iguales. La mitad va para Manabe y Hasselmann. La otra para Parisi. El reparto reconoce el trabajo relacionado de los dos primeros y, por separado las investigaciones del italiano.
Manabe es considerado el padre de los modelos climñaticos que hoy permiten entender toda la complejidad del clima y proyectar cómo será su futuro. El japonés demostró cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera estaba provocando la subida de las temperaturas. En los años 60 del siglo pasado, protagonizó el desarrollo de modles físicos del clima terrestre. Sus trabajos son la base de cómo se modela la evolución climñatica en la actualidad. En concreto, fue el primero en estudiar la interacción entre la incidencia de la radiación solar y el transporte en vetical de las masas de aire.
De forma conjunta, la Academia sueca premia también al En el comunicado de la Academia, sus miembros dicen
El pasado año, El británico Roger Penrose, el alemán Reinhard Genzel y la estadounidense Andrea Ghez ganaron el premio Nobel de Física. El primero recibió la mitad del premio “por descubrir que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad”. Los otros dos compartieron la otra mitad “por descubrir un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia”.
El premio está dotado con nueve millones de coronas suecas, unos 940.000 euros. Este premio sigue al anuncio efectuado ayer del Nobel de Medicina y que continúa mañana con el de Química. El jueves se anuncia el de la Paz y, finalmente, Economía, que se dará a conocer el lunes de la semana que viene.
- https://elpais.com/ciencia/2021-10-05/premio-nobel-de-fisica-para-syukuro-manabe-klaus-hasselmann-giorgio-parisi-los-teoricos-de-los-sistemas-complejos.html
Por partes. En su teoría de la gravitación –la relatividad general–, Albert Einstein unificó el espacio con el tiempo, y ambos se entrelazaron indisolublemente con la geometría y la materia. Sucintamente: la gravedad se manifiesta a través de la geometría del espacio-tiempo, es decir, de su forma. El espacio-tiempo es una mera expresión de la existencia de materia, sin la cual, aquel no existe.
La repercusión fue inmediata, se predecían fenómenos insospechados que se comprobaron cumplidamente. No obstante, los modelos exactos contenían zonas problemáticas donde las variables físicas tomaban valores infinitos y el espacio-tiempo parecía quebrantarse. He aquí las “singularidades”. De especial relevancia fue el estudio realizado en 1939 por Robert Oppenheimer y Hartland Snyder del colapso inevitable, catastrófico, de estrellas esféricas creando lo que, desde lejos, se aprecia como un hoyo (o agujero) negro: misteriosa criatura pudorosa que oculta celosamente su interior. Nunca podemos aspirar a observar este, por método alguno, salvo que nos adentremos allí —-pasando así a formar parte de ello.
Esto suponía un pequeño fastidio, que se decidió fácilmente resoluble. Bastaría invocar las fuerzas internas y las irregularidades que desbaratan la perfecta esfericidad de la estrella para evitar la catástrofe. Sin embargo, Penrose, en 1965, lanzó un mensaje demoledor: “Nada de eso, amigos, las singularidades no son un incordio resoluble. Al contrario, plasman un rasgo distintivo de la teoría”. Conmoción generalizada. La Relatividad es tan maravillosa que incluye sus propias limitaciones.
La relatividad es tan maravillosa que incluye sus propias limitaciones
En concreto, Penrose probó un teorema geométrico (pues la gravedad es geometría) mostrando la existencia de las indeseadas singularidades en situaciones generales. Y de paso aportó (al menos) dos conceptos claves: incompletitud, y esferas atrapadas.
En una singularidad el espacio-tiempo se malogra, por tanto ella no está en el espacio ni en el tiempo. Para capturar su naturaleza desde el espacio-tiempo es posible usar la duración de entes reales. Cualquier entidad que se aventure hacia una singularidad dejará de estar en el espacio-tiempo… ¡se esfuma! Su semblanza queda incompleta. Igualmente hay materializaciones abruptas en el espacio-tiempo. ¡Así nos parece que surgió el universo!
En situaciones dinámicas —tales como las que se dan en el colapso estelar—, el área, el volumen, la distancia etc. cambian con el tiempo
Ahora, demos una idea de lo que es una esfera atrapada. Para escapar de un campo gravitatorio hace falta un montón de energía. En física clásica se precisa una velocidad de escape, la velocidad inicial necesaria para evadirse, mayor cuanto más intensa sea la gravedad. Pero hay una velocidad límite insuperable (la de la luz). En la relatividad todo se complica. Imaginemos un esferoide cuya superficie tiene una cierta área. Una multitud de diminutos duendes pueblan el esferoide, y vuelan vertiginosamente —incluso a la velocidad de la luz— en todas direcciones para escaparse de la gravedad a la que están sometidos. Después de un breve lapso de tiempo diseñamos otro esferoide, el mínimo que todavía encierre a todos los duendes. Parece lógico que su área sea mayor que la original. Pero ¡atención!, la gravedad es geometría. En situaciones dinámicas —tales como las que se dan en el colapso estelar—, el área, el volumen, la distancia etc. cambian con el tiempo. Es factible que el área final sea menor que la original, independientemente de cuánto se hayan apresurado los duendes, condenados así a estar confinados en esferoides de área cada vez menor. Atrapados.
Usando la propiedad atractiva de la gravedad, Penrose demostró que, si se forman esferas atrapadas, las singularidades son inevitables. Conviene resaltar que su existencia es estable, es decir, pequeñas perturbaciones no las suprimen. Por ello, dado que aparecen en el colapso esférico (Oppenheimer-Snyder), también surgen en colapsos irregulares similares. En plata: la formación de hoyos negros en colapsos de estrellas inestables es una predicción robusta de la relatividad. De hecho, debido a la expansión universal (situación dinámica) existen esferas atrapadas en nuestro universo ¡hacia el pasado! Hawking se percató de ello y demostró en pocos meses varios teoremas aplicables en cosmología.
El concepto de esfera atrapada es crucial para el desarrollo de ramas activas de las matemáticas a la par que extraordinariamente fructífero en física
El concepto de esfera atrapada es crucial para el desarrollo de ramas activas de las matemáticas —-geometría lorentziana, relatividad matemática— a la par que extraordinariamente fructífero en física. Su influencia es imponente. Tal y como señalé y ha recordado ahora la fundación Nobel, el teorema de Penrose fue el primer resultado genuinamente posterior al influjo de Einstein: él no lo previó, ni siquiera lo pudo sospechar. Así, la época moderna de la Relatividad, su madurez, quedó inaugurada en 1965. Con ello prosperó la hipótesis de la censura cósmica (que afirma que los hoyos negros cubren sus intimidades a todo lo que no quiera unirse a ellos), y Penrose abogó por tomar en serio las predicciones de la teoría y explorarlas en detalle.
Afortunadamente, científicos como Ghez y Genzel asumieron este cometido consiguiendo que la predicción teórica deviniera una realidad observada. Este premio es un gran triunfo de la física matemática, mas no sería posible sin las recientes observaciones de diversa índole de hoyos negros: la detección de ondas gravitatorias emitidas en su fusión, la imagen de la silueta del descomunal M87*, estudios de otros centros galácticos activos y, cómo no, “nuestro agujero negro”, Sagitario A*. El paciente estudio de nuestro centro galáctico, realizado durante casi 30 años por los equipos de Ghez y Genzel en el infrarrojo, sigue la pista de estrellas individuales que orbitan en torno a algo invisible revelando la existencia de Sgr A*, un objeto de casi cuatro millones de masas solares extremadamente compacto; vale decir un hoyo negro.
Pero esa es otra fascinante historia.
José M. Martín Senovilla es catedrático de física teórica en el Departamento de Física de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
Café y Teoremas es una sección dedicada a las matemáticas y al entorno en el que se crean, coordinado por el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), en la que los investigadores y miembros del centro describen los últimos avances de esta disciplina, comparten puntos de encuentro entre las matemáticas y otras expresiones sociales y culturales y recuerdan a quienes marcaron su desarrollo y supieron transformar café en teoremas. El nombre evoca la definición del matemático húngaro Alfred Rényi: “Un matemático es una máquina que transforma café en teoremas”.
Edición y coordinación: Ágata A. Timón García-Longoria (ICMAT)
- https://elpais.com/ciencia/2020-10-16/un-nobel-de-fisica-muy-matematico.html?rel=mas
El británico Roger Penrose, el alemán Reinhard Genzel y la estadounidense Andrea Ghez han ganado el premio Nobel de Física de 2020, según ha anunciado hoy la Real Academia de Ciencias Sueca. El primero recibe la mitad del premio “por descubrir que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad”. Los otros dos comparten la otra mitad "por descubrir un objeto compacto supermasivo en el centro de de nuestra galaxia”.
El premio Nobel de Física de este año tiene que ver con “los secretos más oscuros del universo”, ha resumido Göran Hansson, secretario general de la Real Academia Sueca. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein predice la existencia de este tipo de cuerpos, tan densos y con tanta masa que su fuerza de gravedad se traga todo lo que se acerca más allá de su horizonte de sucesos, el punto de no retorno más allá del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar al empuje. A pesar de esto, Einstein dudaba de que este tipo de cuerpos pudiesen existir en realidad.
“¿Qué es un agujero negro? No lo sabemos”, ha explicado Ghez por teléfono durante el acto de anuncio de los premios. " Y el hecho de que no sepamos qué hay dentro de ellos es parte de la intriga que nos hace avanzar en la tarea de entender el mundo físico", ha añadido la astrónoma estadounidense, que es la cuarta mujer que gana un Nobel de Física desde la creación del premio en 1901, tras Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963) y Donna Strickland (2018). “Espero que esto pueda inspirar a otras mujeres a que entren en este campo”, ha añadido Ghez a preguntas de los periodistas.
Roger Penrose (Colchester, 1931), físico de la Universidad de Oxford, fue el primero en demostrar matemáticamente que los agujeros negros no son solo posibles, sino inevitables. Cuando algunas estrellas llegan al final de su vida explotan hacia adentro y hacia afuera. Las capas externas salen despedidas y las internas, el andamiaje de la estrella, se derrumban sobre sí mismas. Si la estrella tiene suficiente masa, estos escombros se comprimirán hasta formar una singularidad: un punto de densidad infinita que atraerá a todo lo que cruce su horizonte de sucesos. En 1965 Penrose publicó un artículo en el que describía este fenómeno como consecuencia necesaria de la relatividad general de Einstein, que había muerto una década antes. El artículo de Penrose se sigue considerando la mayor contribución en el campo de la relatividad general desde Einstein, resalta la academia sueca.
A finales de la década de los noventa, Ghez (Nueva York, 1965) y Genzel (Alemania, 1952) descubrieron un descomunal agujero negro oculto en nuestro propio vecindario dentro del universo. El equipo de Ghez usó los potentes telescopios ópticos de los observatorios astronómicos de Mauna Kea (Hawai) y el de Genzel los del Observatorio Europeo Austral (Chile) para estudiar durante años el movimiento de las estrellas en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Ambos equipos demostraron que la velocidad de desplazamiento de las estrellas solo podía deberse a la fuerza de gravedad de una gran masa compacta invisible para los telescopios ópticos: el agujero negro supermasivo Sagitario A*.
“Los cálculos indicaban que este cuerpo tiene una masa de cuatro millones de soles concentrada en un espacio solo ligeramente superior al de nuestro Sistema Solar”, explica Rainer Schoedel, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía y colaborador de ambos Nobel. Genzel fue su director de tesis y junto a él publicó la primera órbita de una estrella en torno a este agujero negro en un estudio seminal en Nature en 2002. Además, Schoedel lleva 10 años colaborando Ghez. “Ahora sabemos que la mayoría de galaxias como la nuestra tienen un agujero negro de este tipo en su centro, pero ignoramos su papel. No sabemos si son causa o efecto de la existencia de las galaxias. Si desapareciese Sagitarius A* o lo quitásemos no pasaría nada, nuestra galaxia seguiría ahí”, resalta.
Los equipos de los dos premiados siguen estudiando las órbitas de las estrellas en torno al agujero negro de la Vía Láctea cada vez con más resolución. El objetivo es saber si todo se comporta de acuerdo a la teoría general de la relatividad de Einstein o hay alguna desviación, lo que supondría un descubrimiento histórico que bien merecería otro Nobel. “El problema es que no sabemos reconciliar la física gravitacional y la física cuántica, pero es muy probable que ese punto de encuentro entre ambas esté dentro de un agujero negro”, resalta Schoedel.
Este año la dotación de estos premios se ha elevado a 10 millones de coronas suecas, unos 950.000 euros, debido a la buena situación financiera de la Fundación Nobel creada en 1900 por deseo póstumo del magnate sueco Alfred Nobel, inventor de la dinamita.
El año pasado recibieron el premio Michel Mayor, Didier Queloz y James Peebles. Los dos primeros fueron los responsables del descubrimiento de los primeros planetas fuera del sistema solar. El tercero es uno de los padres de las teorías cosmológicas que explican cómo surgió el universo y cuál ha sido su evolución. En su anuncio desde Estocolmo, la academia sueca justifica su galardón por las aportaciones de los premiados al conocimiento humano sobre la evolución del cosmos y el lugar que ocupa en él la Tierra.
- https://elpais.com/ciencia/2020-10-06/directo-la-academia-sueca-concede-el-nobel-de-fisica.html?rel=mas
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