Tot el que cal saber sobre física, l’univers i el nostre lloc al món en set lliçons plenes de bellesa que han captivat els lectors italians.

Set lliçons breus de física
Carlo Rovelli

Llibres Anagrama
Traducció: Laia Font i Mateu
Publicació: 02/03/2016
ISBN 978-84-339-1529-0

La ciència ens ensenya com comprendre més bé el món, però també ens mostra com és d’ample allò que encara no sabem.

I és que malgrat els grans avenços del segle XX, i al contrari del que gran part de la societat creu, la ciència moderna no és l’explicació definitiva del món sinó que només pretén ser una aproximació a la realitat. Una realitat que, sobretot en la física contemporània, se’ns presenta fugissera i de vegades incomprensible.

Tot i això, el físic italià Carlo Rovelli, en el petit però dens llibre Set lliçons breus de física, s’endinsa en el difícil camí de fer comprensible, per a un públic no necessàriament de ciències, els fonaments de la física del segle XX, amb els seus èxits fulgurants, els seus fracassos, les seues contradiccions i especialment les conseqüències que se’n deriven per a la tecnologia actual i per al pensament humà.

L’obra, que ha estat un best-seller a Itàlia, explica com un poètic conte, amb sis capítols o lliçons, de manera senzilla però realment profunda, les grans teories que han permès el desenvolupament de la societat moderna: la Relativitat General i la Mecànica Quàntica. Unes teories potents però malauradament contradictòries entre si. La primera, la més bella i exigent de les teories científiques, segons el físic soviètic Lev Landau, ens aboca a un espaitemps continu en què la matèria i l’espai-temps es combinen contínuament, com un continu joc del gat i la rata. La segona ens du a un món estrany en què les partícules només existeixen quan interaccionen i on l’atzar hi juga un paper fonamental. En paraules de l’autor, la realitat sembla ser només interacció. Dues teories que tracten d’explicar el món però que no poden ser veritat al mateix temps. L’espaitemps corbat continu front a l’espai pla dels quàntums, dues maneres de veure el món que funcionen només en el seu àmbit d’aplicació.

Un físic no s’hauria de molestar per aquesta dicotomia. Els conflictes d’aquest tipus entre teories d’èxit són una oportunitat per avançar cap a una nova física. Són els moments en què quelcom ocult trau la poteta però no ens deixa veure gaire més. La natura sempre és tímida en mostrar-nos els secrets. Ara ens cal una teoria que ho unifique tot, com podria ser la Gravitació Quàntica de Llaços en la qual Carlo Rovelli n’és un dels desenvolupadors. Aquesta teoria proposa la quantització de l’espaitemps, en què, a semblança de la quàntica, tot és interacció. I, si un dia s’arriba a trobar un observable, si arriben a reeixir alguns dels experiments proposats, serà una veritable revolució de la física. De moment, però, cal continuar treballant.

I en aquesta nova realitat proposada què hi fem nosaltres com a humans? Quina és la realitat que percebem, quina és la nostra realitat, què és el temps, què és el present? En aquest món de la física contemporània on l’atzar i la interacció són la norma, som realment lliures? Nosaltres som el subjecte que observa aquest món amb el qual interaccionem, però al mateix temps en som part integrant d’aquest. Som fets també per partícules, llums i intercanvis de la mateixa manera que ho són les galàxies i els altres éssers vius de la Terra. Ho veiem des de dins i tractem d’entendre-ho amb la potent però limitada xarxa neuronal del nostre cervell. Carlo Rovelli, en la darrera lliçó, ens explica el seu punt de vista sobre la humanitat, sobre la complexa realitat de què estem fets. En definitiva, ens diu que allò específicament humà no ens separa de la natura, és la nostra natura.

El món que ens envolta, que hem vist per la finestra durant aquests mesos de confinament, ens sembla bell, continu, ordenat i que flueix al ritme de les estacions. Tenim però una visió desenfocada de la realitat. Veiem el llac amb l’aigua tranquil·la, però de lluny no en percebem l’estructura fina, les molècules d’aigua movent-se, trencant-se, els quarks dins dels protons vibrant, i, més subtilment encara, les possibles ínfimes porcions de l’espaitemps.

I acabe amb la mateixa expressió poètica en què acaba el llibre: A la riba del que sabem, en contacte amb l’oceà de tot el que no sabem, brillen el misteri del món, la bellesa del món, i ens deixen sense alè.

Quart llibre del confinament.

Joan Olivares va fer, fa uns mesos, una crònica més llarga i consistent sobre el llibre en Nosaltres La Veu.

‘Set lliçons breus de física’, de Carlo Rovelli

LA LLIBRERIA: CIÈNCIA

per Joan Olivares

La nova astronomia d’ones gravitatòries va fer ahir un gran avanç amb l’anunci de la detecció d’un segon senyal en els detectors LIGO, conseqüència de la fusió de dos forats negres situats a uns 1400 milions d’anys-llum de distància.I és que ahir tornàrem a tindre un dia d’expectació per l’anunci que els membres de LIGO feren de matí en el marc de la reunió de la Societat Astronòmica Americana:

Els científics de la Col·laboració Científica LIGO (LSC) i els de la col·laboració Virgo explicaran la seua recerca més recent en l’esforç per detectar ones gravitatòries, en la 228a reunió de la Societat Astronòmica Americana (AAS) que s’està fent aquesta setmana a San Diego, Califòrnia. La roda de premsa està prevista a les 10:15 AM hora del Pacífic (19:15, hora local).

Alguna noticia important s’estava coent entre els científics gravitatoris (permeteu-me el neologisme) i l’anunci, passades les 19:15, de la detecció de GW151226, el segon flaix confirmat de radiació gravitatòria després del senyal GW150914, la històrica detecció d’ones gravitatòries anunciada fa quatre mesos, no va decebre ningú.

Com va passar amb el primer senyal, GW151225 va ser detectat simultàniament pels dos observatoris de LIGO situats a Livingston, Louisiana i Hanford, Washington als Estats Units.

El senyal es detectà el 26 de desembre a las 03:38:53 UTC (temps local 04:38:53). S’observà primerament en Livingston i 0.0011 ± 0.0003 segons més tard en Hanford. Donat que els dos observatoris estan separats per uns 3000 km, podem estimar la velocitat de l’ona com a pròxima a la velocitat de la llum. És a dir, era una ona gravitatòria amb velocitat pròxima o igual a la de la llum, tenint en compte els errors.

Cal fer notar un fet ben curiós i, és que a causa del canvi horari, l’ona arribà als EEUU just el 25 de desembre, dia de Nadal. Va ser per tant un regal de Nadal però segurament obligà a treballar a més d’un científic aquell dia.

El vídeo mostra com va canviant la freqüència de GW151226 segons els mesuraments del detector de Hanford (Washington).

Després de l’estudi del senyal GW151226 que ha durat mesos, s’ha arribat a la conclusió que l’emissió de la radiació gravitatòria s’ha produït per la fusió de dos forats negres amb masses inicials d’unes 14 i 8 masses solars amb un desplaçament cap al roig del voltant de 0,09, cosa que vol dir, si és correcte, que la radiació ha trigat uns 1400 milions d’anys en arribar-nos. Observeu que la brillantor i la freqüència —aquí realçada amb un so— de la radiació gravitatòria arriba a un màxim durant l’últim segon de la fusió dels forats negres.

La fusió dels dos forats negres de 14 i 8 masses solars va donar un nou objecte de 21 masses solars amb la conversió d’una massa solar en energia en forma d’ones gravitatòries, part de la qual arribà a la Terra el Nadal passat.

El senyal GW151226 és més feble i té una relació senyal/soroll menor que l’anunciat el febrer passat. Tanmateix la durada del senyal ha estat molt més llarga, un segon, en comparació amb la de febrer que només durà 0.2 segons. Això vol dir que s’ha pogut captar uns 55 cicles d’oscil·lació en espiral dels dos forats negres.

El vídeo adjunt explica com la fusió de dos forats negres produeix les ones observades. El moviment en espiral s’accelera i arriba ser ser major de la meitat de la velocitat de la llum (v/c = 0.5) mentre l’energia es va emetent en forma d’ones gravitatòries.

Hem sabut també que hi ha un altre esdeveniment registrat el 12 d’octubre però amb una relació senyal/soroll baixa. Encara no està, per tant, confirmat. Es veu que LIGO, fa poc millorat, funciona i ha estat capaç de captar tres senyals en el seu primer període d’observació.

A mesura que LIGO continue funcionant i la seua sensibilitat augmente amb el temps i, que a més a més, en els anys vinents, es dispose d’altres detectors de radiació gravitatòria en Europa (Virgo), la Índia (LIGO), etc. la nostra visió del cel canviarà, sense dubte, la comprensió que tenim de l’Univers.

Més informació: Si desitgeu llegir una explicació una mica més tècnica, passeu per l’interessant article GW151226: Nueva onda gravitacional detectada por Advanced LIGO, del sempre interessant bloc La Ciencia de la Mula Francis.

Article original: GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary. Physical Review Letters.

Imatges:
1.- Aquesta il·lustració artística mostra la fusió dels sistemes binaris de forats negre GW150914 (imatge esquerra) i GW151226 (imatge de la dreta). Els parells de forats negres es mostren conjuntament en aquesta il·lustració, però en realitat es van detectar en diferents moments, i en diferents parts del cel. Les imatges estan a escala per mostrar la diferència en la massa dels forats negres. En el cas de GW150914, els forats negres eren 29 i 36 vegades la del nostre Sol, mentre que a GW151226, els dos forats negres tenien una massa de 14 i 8 masses solars. Crèdit de la imatge: LIGO / A. Simonnet.
2.- El senyal GW151226 observat pels detectors de Hanford (columna esquerra) i Livingston (columna dreta), on els temps són relatius a les 03:38:53.648 UTC.En la primera fila es presenten els valors donats pels dos detectors, on les dades s’han filtrat. En negre es representa el millor ajust al valor de les dades.
La segona fila represent el diagrama Temps – freqüència de les dades de deformació de  GW151226 . A diferencia del senyal GW150914, el nou senyal no és fàcilment visible.
3.- Primer període observacional de LIGO. Dos senyals confirmats i una en estudi. Un gran èxit. LIGO.

Ho han aconseguit. Ahir a la vesprada l’expectació era màxima en tot el món científic per veure si era certa la filtració que finalment la darrera de les prediccions de la Teoria de la Relativitat d’Einstein s’havia acomplit.

La conferència de premsa a la seu de la National Science Fundation (NSF) a Washington DC (EUA) començà amb el parlament del director executiu de LIGO, David Reitze: Senyores i senyors, hem detectat les ones gravitatòries. Ho hem aconseguit.  Hem tardat mesos per confirmar que realment eren ones gravitatòries, però el que és veritablement emocionant és el que ve després, obrim una nova finestra a l’Univers“.

Aquí està la importància del descobriment. Finalment una nova era en l’astronomia s’obre davant nostre. Objectes molt difícils de veure com són els forats negres es faran visibles a través del seu moviment, per les pertorbacions que produeixen en el teixit de l’espai-temps. Podrem veure el mateixa essència de l’Univers. Podrem començar a comprendre com és l’Univers de veritat, veurem les ones dels objectes massius que es mouen i provoquen ones com els vaixells fan ones en la mar. En la conferència de premsa es tenia en ment aquesta idea que han arribat a comparar amb la primera observació del cel amb un telescopi per Galileo Galilei.

El 14 de setembre de 2015 a les 09:50:45 UTC, un senyal d’una durada molt curta passà quasi simultàniament (amb una diferència de 7 milisegons, confirmant que les ones viatgen a la velocitat de la llum) pels detectors del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) situats un a Luisiana i l’altre a l’estat de Washington, estacions separades uns 3000 km. La forma del senyal no va deixar cap dubte. Era el que havien esperat tant de temps i era exactament igual al que havien mostrat les simulacions numèriques prèvies.

L’anàlisi del senyal rebut revelava que era resultat de la col·lisió violenta d’un forat negre d’unes 29 masses solars contra un altre de 26 masses solars. Aquest fet ocorregué a una distància d’uns 1300 milions d’anys llum, sembla que en la direcció del Gran Núvol de Magalhães. I l’unió dels dos forats negres en un únic forat negre va ser tan violenta que unes 3 masses solars (3 Sols!) es van convertir en energia emesa en forma d’ones gravitatòries. Tota eixa energia, capaç de distorsionar l’espai-temps, va estar emesa en una fracció de segon i ha viatjat a la velocitat de la llum durant eixos més de mil milions d’anys fins arribar a nosaltres.

Aquesta gran fita de l’astrofísica relativista que ens contaven en directe ahir de vesprada des de Washington ja ha estat publicada en la revista científica Physical Review Letters Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Un futur premi Nobel s’està ja coent.

El xoc dels dos forats negres i el viatge de les ones gravitatòries fins a la Terra es pot veure en el següent vídeo. És el que es mostrà en la conferència de premsa.

Ací està la frase de France Córdova, directora de la National Science Foundation, en presentar el descobriment de les ones gravitacionals ahir. Em lleve el barret i em dóna una enveja del que podríem fer per ací i no es fa..

“En 1992, quan es van aprovar els fons inicials per a LIGO, van representar la major inversió que la NSF haguera fet mai. Era un gran risc. Però la NSF és l’agència que ha de prendre aqueix tipus de riscos. Recolzem la ciència fonamental i l’enginyeria en els moments del camí cap al descobriment en els quals aqueix camí no és clar. Financem pioners. Per açò els EUA segueixen sent un líder global i avançant en el coneixement“.

Kip Thorne, cofundador de LIGO, i expert en forats negres, tornà a resaltar que LIGO representa el principi de l’astronomia d’ones gravitatòries i donat que LIGO serà tres vegades més sensible en els pròxims anys, baixarà el soroll (efectes aleatoris, pertorbacions conegudes, micro-sismes, etc…) i els detectors podran veure fenòmens no tan violents com els que acabem de detectar.

Després de la tensió dels últims mesos, es notava que la gent estava relaxada i amb ganes de fer broma. Per exemple, France Córdova li ha comentat a Kip Thorne, que també és co-guionista i assessor científic de la pel·lícula Interstellar, si a la vista d’aquests resultats farà la segona part de la pel·lícula: Interstellar 2….

En continuarem parlant.

Més informació: The “sound” of spacetime: Overview. i al bloc de Daniel Marín El nacimiento de la astronomía de ondas gravitacionales.

1.- LIGO detecta ones gravitatòries de dos forats negres en col·lisió. NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.). Apod de Nasa de l’11 de febrer 2016.
2.- Esquema del descobriment. Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time. Science Magazine.
3.- Els dos senyals simultànis a Luisiana i Washington.
4.- France Córdova, directora de la National Science Foundation.
5.- Kip Thorne, cofundador de LIGO.