CAPÍTULO 14 / EJERCICIOS

LA TIERRA Y EL UNIVERSO / EJERCICIOS

el universo y sus modelos

1. Realiza un mapa conceptual sobre las primeras teorías del universo referidas por Aristóteles y Ptolomeo, Nicolás Copérnico, Galileo Galilei y Johannes Kepler.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Responde las siguientes preguntas relacionadas con la teoría del Big Bang:

  • ¿Quién desarrolló esta teoría?

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  • ¿Qué significa Big Bang?

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  • ¿Cómo se produjo el Big Bang?

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Componentes del universo

1. Relacionada cada componente del universo con su definición correspondiente.

Componente Definición
Nebulosa Cuerpo formado por hielo y rocas que gira alrededor del Sol y sigue una órbita excéntrica.
Cometa Grupo de planetas y otros astros más pequeños que orbitan alrededor de una o varias estrellas.
Meteorito Enorme nube de polvo y gas que hay entre las estrellas de una galaxia.
Estrella Cuerpo rocoso de forma irregular, más pequeño que un planeta y mayor que un meteoroide, que orbita alrededor del Sol.
Sistema planetario Meteoroide que alcanza la superficie de un planeta, debido a que no se desintegra por completo en la atmósfera.
Asteroide Bolsa enorme de gas a muy alta temperatura, que brilla y emite luz y calor.

2. Realiza algunos dibujos para establecer las diferencias entre los tipos de galaxias.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

el sistema solar y sus planetas

1. En la siguiente imagen, identifica los planetas de nuestro sistema solar y escribe la distancia en que se encuentran del Sol.

2. ¿Cómo está compuesto nuestro planeta? Identifica sus partes en la siguiente imagen y describe brevemente cada una de ellas.

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la tierra

1. Completa las siguientes oraciones:

  • La Tierra es el ______________ planeta desde el Sol y el _____________ más grande de todos los planetas del sistema solar.
  • La atmósfera es la capa ___________________ de la Tierra.
  • A la Tierra también se la conoce como ___________________ o esfera de la vida.
  • La Luna es _______________________________ de la Tierra.
  • La Luna se encuentra a una distancia aproximada de la Tierra de _______________________ km.
  • El hombre llegó por primera vez a la Luna el ____________________________.

2. Describe cada uno de los movimientos de nuestro planeta.

  • Rotación:

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  • Traslación:

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  • Precesión:

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  • Nutación:

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planetas enanos

1. En las siguientes oraciones indica con una V si es verdadero y con una F si es falso. Justifica las falsas.

  • Ceres es el más grande de los planetas enanos.  (   )

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  • Plutón fue descubierto en el año 1950 y se lo consideró un planeta del sistema solar hasta el año 2019.  (   )

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  • Eris es el más liviano de los planetas enanos.  (   )

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  • Haumea es un planeta formado por hielo, cianuros y otros compuestos desconocidos.  (   )

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  • Ceres es de color rojizo y más pequeño que Plutón.  (   )

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2. Escoge un planeta enano. Realiza una ficha con todos los datos relacionados y una breve reseña.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reseña:

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El origen del universo

El nacimiento de todo lo que conocemos continúa siendo un misterio cuya respuesta intentaron desentrañar por todas las culturas, hasta llegar a la mejor conocida: el Big Bang. Aquí conocemos los progresos hasta la formulación de la conocida teoría.

Sin lugar a dudas, la pregunta sobre nuestro origen nos dispara automáticamente una nueva pregunta que tiene que ver con lo que hay más allá de nosotros mismos y los cielos ¿Cuál es el origen de toda esa inmensidad?, ¿Cuál es el origen de ese espacio que está más allá de la atmósfera de nuestro planeta? La respuesta a esa pregunta ha intentado ser obtenida desde por el primer homo sapiens que observó al cielo, hasta por el hombre científico que miró al universo con los más modernos dispositivos. Su origen ha sido materia de complejos estudios que van desde las explicaciones místicas y oscurantistas de la antigüedad hasta las teorías más complejas y sofisticadas de la actualidad, sin que haya aún una respuesta. Entre el complejo entramado de explicaciones que se han dado en todas las civilizaciones que pisaron el suelo de la Tierra, en este momento el Big Bang cuenta con un consenso científico sobre el cual aún hay una polémica que parece interminable. Como el universo mismo.

Las primeras teorías

Las primeras civilizaciones encontraron su respuesta en el ámbito de lo religioso, otras de lo filosófico y, en los últimos tiempos, los hombres se sirven de la ciencia para responder a estos cuestionamientos. Este componente se mantuvo también en función de un modelo cosmológico propio de cada civilización, que dista de aquel que conocemos en la actualidad. Es en ese contexto propio de cada época es que podemos comprender aquellas teorías referentes al origen del universo por las grandes civilizaciones de la antigüedad. Algunas de las más importantes son las siguientes:

Egipcios: sostenían que el Universo era una caja rectangular, Egipto estaba situado en el centro y el cielo estaba sostenido por montañas. Para explicar el movimiento de los astros y las divinidades, hablaban de barcas. Sostenían que el Sol navegaba por las noches detrás de las montañas del norte y, por eso, no se lo vía. Por otro lado, consideraban que los eclipses y las fases lunares eran provocadas por animales fabulosos, como Apopi, la serpiente enemiga de Ra, el dios Sol.

Hindúes: recurrían a la fortaleza de los animales para explicar cómo se sostenía la Tierra; decían que era sustentada por cuatro pilares que descansaban sobre elefantes y éstos, a la vez, sobre una tortuga que flotaba y nadaba en un océano gigantesco.

Sumerios de la antigua Mesopotamia: creían que la cúpula estelar era de metal y se apoyaba sobre una muralla que circundaba la Tierra.

Babilonios de la antigua Mesopotamia: suponían que la Tierra era una montaña y los astros eran dioses que se trasladaban en carros por el cielo.

Antiguos griegos: para comprender los enigmas del Universo lo comparaban con una cebolla. Sostenían que el Universo constaba de varias capas como la cebolla y que Grecia se encontraba en el centro. Detectaron durante la noche, que en el cielo ciertos astros presentaban movimientos muy particulares a lo largo de los días: se movían en cierta dirección, frenaban y retrocedían un pequeño tramo para volver a frenar y luego retomar la dirección inicial. Decidieron llamarlos planetas, palabra griega que significa “errantes”.

Teorías revolucionarias del cosmos

El modelo actual que conocemos del universo es producto de las revolucionarias teorías suministradas por figuras destacables que se refutaron y expandieron sobre lo que se planteaba en la antigüedad, ubicando a la Tierra en el centro del universo (geocéntrico). El astrónomo polaco Nicolás Copérnico fue quien planteó en el año 1543 la teoría heliocéntrica, abandonando el modelo que ponía a nuestro planeta en el centro, para ubicar al Sol. Por otro lado Johannes Kepler, astrónomo y matemático alemán, fue quien estableció las leyes correspondientes al movimiento de los planetas, de lo cual se deducía que el movimiento de los planetas alrededor del Sol no era circular, sino que era elíptico. Finalmente, las leyes del astrónomo inglés Isaac Newton fueron las que determinaron los movimientos del universo a gran escala. En el siglo XX estos conocimientos fueron profundizados por científicos como Albert Einstein o Edwin Hubble.

Teorías revolucionarias del cosmos

La teoría más aceptada en la actualidad sobre el origen del universo comenzó a gestarse en el año 1929 de la mano del astrónomo estadounidense Edwin Hubble.

Hubble llegó a la conclusión de que las galaxias se alejaban constantemente unas de otras, en el marco de un trabajo donde analizaba la velocidad de estos cuerpos y de las nebulosas con respecto a la Tierra. A partir de esta idea entendió que el universo se encontraba en continua expansión.

Avanzando en la investigación halló un dato mucho más sorprendente: cuanto más lejos se encontraba una galaxia de la Tierra, más rápido se alejaba. Esto quería decir que el universo no sólo se expandía, sino que lo hacía cada vez más rápido.

Si el universo se encuentra en continua expansión, quiere decir que en un futuro será mucho más grande. Pero, esto también permite pensar que en el pasado fue muy pequeño. Incluso, si nos remontáramos a millones y millones de años atrás nos encontraríamos con un universo del tamaño de un punto. Esta reflexión hizo pensar a otros científicos que comenzaron a aceptar la idea de que el universo había comenzado por una gran explosión, de esta manera se empezaba a dar forma a la Teoría del Big Bang.

La teoría fue propuesta por primera vez, en 1931, por el cosmólogo belga Georges Lemaitre. Tiempo después fue enriquecida por el astrofísico George Gamow, en 1948.

Primitivamente la teoría explicaba que el universo se formó a partir de una explosión cuando la materia se concentraba en un átomo muy reducido junto con la energía. A partir de entonces la materia se habría extendido en todas las direcciones, creando al universo.

En 1948 la teoría fue enriquecida con los aportes de Gamow. Reemplazó la idea del núcleo primordial por la de la masa inmensa giratoria de materia y energía; consideraba que así era el universo y que éste fue creciendo hasta constituir una esfera de volumen relativamente pequeño, así como extremadamente densa y caliente que al final explotó.
En este fenómeno, de acuerdo a la investigación de Gamow, jugó un papel importante la fuerza de atracción, que sería la causa por la cual la masa no se habría expandido en todas las direcciones. Gamow explica que gracias a la magnitud de la fuerza de atracción, la masa comenzó un proceso de expansión hasta entrar en un estado de relativo reposo donde las nubes de gas se enfriaron formando las estrellas por condensación de la materia.

Luego el agrupamiento de estrellas formó galaxias y grupos de galaxias que se propagaron en todas las direcciones. Dado que las galaxias se formaron en forma aislada, es decir, muy lejos una de otras, la baja atracción gravitacional entre ellas inició la expansión del universo.

Investigaciones de los últimos años revelan que el hidrógeno y el helio habrían sido los componentes primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se formaron más tarde, dentro de las estrellas.

Bosón de Higgs: el mimado de los científicos

El 4 de julio de 2012, el bosón de Higgs se convirtió en la celebridad del mundo científico. Investigadores del CERN anunciaron el hallazgo de la partícula más buscada de los últimos tiempos. «Hemos alcanzado un hito en nuestra comprensión de la naturaleza», afirmó Rolf Heuer, director del CERN. Por su parte, Christoph Paus, físico del MIT, fue más cauteloso en su declaración: «Todavía no podemos decir si el fenómeno que estamos compartiendo es de hecho el bosón de Higgs, ya que se necesitarán muchos más datos». 

Por Carina Maguregui

La historia del bosón

El miércoles 10 de septiembre de 2008 se considera una fecha muy importante para los científicos de todo el mundo, porque se puso en funcionamiento el colisionador de hadrones. «¿Colisionador de qué?», nos preguntamos la mayoría de nosotros. Luego de las primeras indagaciones, noticias en los diarios, informes en noticieros y los resultados arrojados por la consabida búsqueda en internet, tal vez nos encontremos todavía más desconcertados.

Hadrones: ¿con qué se comen? Leemos que el colisionador generaría agujeros negros bajo tierra, oímos que haría viajar partículas a velocidades cercanas a la de la luz, vimos coloridas animaciones sobre la posible recreación del origen del universo, resonaron las palabras primer estallidobig bangcuerdas ydimensiones, cuyo significado a veces ni siquiera llegamos a imaginar.

El origen del colisionador de hadrones está en las variantes de sus parientes directos, los aceleradores de partículas, construidos sobre un cúmulo de conceptos teóricos y prácticos provenientes de la física.

Hace millones y millones y millones de años hubo un estallido original —eso dicen al menos muchos físicos del mundo— que dio nacimiento al universo del que somos parte. El colisionador, entre otras cosas, sería el «aparato» que permitiría recrear la condiciones de aquel momento inicial para «observar» lo que habría sucedido.

Aparato que te quiero tanto

¿Por qué son tan importantes los aparatos? La idea es bien sencilla y podemos exponerla de este modo: ninguno de nosotros vio jamás un átomo y, sin embargo, no dudamos de su existencia porque sabemos que se diseñaron y desarrollaron aparatos que permitieron comprobar su existencia. Tampoco vimos ni palpamos genes, pero sabemos que con instrumental específico pueden ser mapeados. El colisionador de hadrones es el
último gran artefacto que construimos para ver cosas que no sabemos si existen.

En la ciudad de Ginebra, en la frontera entre Suiza y Francia, se construyó el LHC (Large Hadron Collider) o gran colisionador de hadrones. La megaestructura —faraónica— comprende un túnel circular de más de 27 kilómetros de longitud, instalado a 100 metros de profundidad. Este túnel es el mayor acelerador y colisionador de protones del mundo.

¿Protones? ¿Protones? Sí, son partículas subatómicas. Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta. La física de partículas y la física nuclear se ocupan del estudio de estas partículas, sus interacciones y de la materia que las forma. Se consideran partículas subatómicas a los constituyentes de los átomos: protones, electrones y neutrones.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, sino que se producen en los rayos cósmicos y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas. ¿Vieron? Para eso necesitamos y construimos los aceleradores de partículas.

Volvamos al acelerador/colisionador LHC, que costó más de 5.600 millones de euros. El consorcio científico involucrado en el proyecto está integrado por más de 6000 científicos de todo el mundo.

El 10 de septiembre de 2008, se realizó la primera prueba de funcionamiento del colisionador. Los científicos hicieron circular a través de toda la trayectoria del túnel enormes cantidades de partículas a la velocidad de la luz. Por eso se les dice «aceleradores», porque tienen la potencia necesaria para imprimir esa velocidad a las partículas: las aceleran, les dan enviones brutales.

Bien, tenemos a las partículas circulando a velocidades inimaginables dentro del acelerador, pero ¿para qué? Parece ser que cuando estas pequeñísimas partículas invisibles al ojo humano se mueven a la velocidad de la luz y chocan entre sí, la fuerza del impacto es tan enorme que la energía resultante las divide en partículas aún menores.

La colisión produciría el estallido de estas partículas en otros subcomponentes más pequeños. Dicho de manera muy simplificada, estos estallidos recrearían mini big bangs.

En el momento de las colisiones, por cada choque se generan miles de subpartículas que dejan patrones o «huellas» que les permiten a los investigadores realizar su identificación. Las huellas son analizadas y estudiadas por identificadores especialmente diseñados para medir sus trayectorias, energías e «identidades». Para los trabajos de identificación, el súper colisionador cuenta con cuatro detectores, cada uno de los cuales tiene una función específica a desarrollar.

El detector llamado Alice estudia el estado de la materia que se produjo instantes después del big bang. El Atlas analiza todas las partículas resultantes de las colisiones; el CMS complementa al Atlas en la búsqueda de la partícula llamada bosón de Higgs, y el Lhc-B estudia las cuestiones relacionadas con la materia y la antimateria.

En el detector Atlas trabajan más de 1900 científicos de 170 instituciones pertenecientes a 35 países del mundo, entre ellos la Argentina. Los científicos argentinos involucrados en este gran desafío son Ricardo Piegaia, Gustavo Otero y Garzón, Laura González Silva, Gastón Romeo, Hernán Reisin y Sabrina Sacerdoti, de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA; María Teresa Dova, Fernando Monticelli, Xabier Anduada, Martín Tripiana, Francisco Alonso y María Josefina Alconada y Francisco Arduh de la Universidad Nacional de La Plata. Daniel De Florian es uno de los coordinadores del grupo de trabajo que vincula a los dos experimentos que rastrean al bosón de Higgs y desarrolló herramientas teóricas para el análisis de datos. Sacerdoti, Tripiana, Alonso y Alconada están en este momento en el CERN. Y Anduada, fue uno de los elegidos para la presentación de los resultados del experimento Atlas.

Para intentar comprender todo este asunto aceptamos deglutirnos los protones, pero hadrones ¿es necesario? No nos vamos a complicar la vida y diremos que el pobre hadrón sentado en el banquillo de los acusados también es una partícula subatómica, como el protón. Solo que hay dos tipos de partículas subatómicas: las llamadas fundamentales y las compuestas. Los hadrones son partículas compuestas y están formadas a su vez por: fermiones —denominados quarks y antiquarks— y por bosones llamados gluones. Los gluones actúan de intermediarios para la fuerza que une a los quarks entre sí.

Big Bang

Pero no se aturdan con tantas colisiones porque ahora retomamos los big bangs. Necesitamos esta breve aclaración para saber de qué se trata el big bang. A través de la constante de Hubble (un valor matemático calculado) se puede determinar matemáticamente la edad del universo: aproximadamente 15 mil millones de años, que es el tiempo transcurrido desde el primer gran estallido, el Big Bang, hasta la época actual.

El Big Bang fue bautizado así por el astrónomo inglés Fred Hoyle en 1950, como el instante inicial de la gran explosión que habría dado comienzo al espacio y al tiempo. Sea cual fuera el mecanismo que dio inicio al Big Bang, este debió ser muy rápido: el universo pasó de ser denso y caliente (instante «cero» del tiempo) a estar casi vacío y frío (instante actual).

De la situación del universo antes del Big Bang no se sabe nada, ni siguiera puede imaginarse cómo comenzó. Puede estimarse que antes de conformadas las galaxias, la densidad de materia del universo habría sido infinita o extremadamente grande; por lo tanto, el análisis del universo puede iniciarse un instante después del Big Bang, en el cual la densidad resulte ahora finita, aunque extraordinariamente enorme. Algo similar se puede decir con respecto a la temperatura. En las regiones de mayor temperatura se acumuló la materia que luego dio origen a las galaxias y posteriormente a las estrellas.

Lo que nos importa para seguir nuestro camino es que solamente se pueden analizar los procesos físicos que se desarrollaron después del Big Bang. Al momento del Big Bang las cuatro fuerzas fundamentales fueron: gravitación, fuerza fuerte, electromagnetismo y fuerza débil. Enseguida aparecieron los protones y neutrones que componen los núcleos del hidrógeno, deuterio, helio y litio. Al proseguir el enfriamiento del universo los electrones se unieron a los núcleos átomicos y formaron los átomos neutros. Posteriormente la radiación y la materia que cubrían todo el universo se separaron, lo que se define como el «desacople», y luego aparecieron las galaxias, las estrellas y los planetas.

No nos perdamos en el laberinto de la física y la astronomía y regresemos ahora al colisionador. Decíamos que los estallidos causados por las colisiones de las partículas dentro del túnel causarían minis big bangs¡ahí aparecen los big bangs!, y esa es una de las razones por la que los científicos construyeron el aparato, para poder hacer el análisis y estudio del universo en el instante después del Big Bang.

¿Cómo encajan los agujeros negros en todo esto?

Hasta el momento no existe ninguna prueba concluyente de la existencia de agujeros negros. Por ser invisibles, solo podrían ser detectados a través de sus efectos gravitacionales sobre otros cuerpos celestes. ¿Efectos qué? Mejor intentemos explicar qué son los agujeros negros —aunque nunca hayamos visto alguno—.

Desde 1783 los científicos vienen hablando de los agujeros negros, pasando por Albert Einstein hasta el controvertido Stephen Hawking. Lo cierto es que para simplificar las discusiones y los largos desarrollos teóricos, que obviamente no manejamos, nos conformaremos con decir que un «agujero negro» u «hoyo negro» es una región del espacio-tiempo provocada por una gran concentración de masa en su interior, con enorme aumento de la densidad, lo que provoca un campo gravitatorio tal que ninguna partícula —ni siquiera la luz— puede escapar de su atracción.

Intentemos imaginar algo así: mucha mucha mucha mucha mucha mucha cosa acumulada en poco poco poco poco poco poco espacio. ¿Ehhh? Una gran masa, algo muy denso, pero demasiado concentrado en un espacio tan diminuto que es casi como si no ocupara lugar.

Si casi no ocupa lugar no lo podemos ver, pero sí se hace sentir porque toda esa masa apretadísima en la cabeza de un alfiler invisible genera un campo gravitatorio con mucha atracción. Esto significa que si pasáramos cerca de un agujero negro, aunque no lo viéramos seguramente nos tragaría.

¿Nos tragó el agujero negro y nos olvidamos del colisionador? Noooo, al contrario, dijimos que dentro del colisionador se producían espectaculares choques de partículas aceleradas a la velocidad de la luz. Bueno, justamente de la energía descomunal generada por estas colisiones y estallidos podrían originarse agujeros negros en el interior del túnel. Los más osados y audaces dicen que el colisionador podría generar un «agujero de gusano» capaz de ser atravesado, que es uno de los modelos hipotéticos de máquina del tiempo.

Gusanos, lo que nos faltaba…

Un agujero de gusano, también conocido como un puente de Einstein-Rosen, es una hipotética característica topológica del espacio-tiempo, descrita por las ecuaciones de la relatividad general, que constituye esencialmente un «atajo» a través del espacio y el tiempo. El agujero de gusano tiene por lo menos dos extremos, conectados a una única «garganta», pudiendo la materia ‘viajar’ de un extremo a otro pasando a través de esta garganta o puente.

El primer científico en teorizar sobre la existencia de agujeros de gusanos fue Ludwig Flamm en 1916, y desde entonces han sido objeto de debate en el seno de la comunidad científica.

Los devotos admiradores de los gusanos (recordar la imagen de Jodie Foster en la película Contactoviajando en el tiempo a través de un agujero de gusano) especulan y fantasean con que el colisionador podría provocar accidentalmente la aparición de agujeros de gusano y abrir por primera vez en la historia la puerta de los viajes en el tiempo. Señalan que, bajo ciertas condiciones, las enormes ondas gravitacionales generadas por las partículas en colisión podrían abrir una puerta o desgarro en el tejido espacio-temporal, dando lugar a un atajo espacio-temporal. Pero se desconoce la cantidad de energía necesaria para abrir la «puerta».

¿Y si le ponemos un poco de música a todo esto?

Las cuerdas del violín y las del universo. La sinfonía del universo podría reunir todos los conceptos de los que estamos hablando en una única teoría unificadora: la teoría de cuerdas. La física teórica postula, con la “teoría del todo”, que debe existir un marco conceptual que sirva para conectar y aunar todos los fenómenos físicos conocidos.

La búsqueda de un modelo de teorías de todas las interacciones fundamentales de la naturaleza es una dura lucha intelectual que llevan a cabo los físicos desde hace ya bastante tiempo. El divulgador científico Federico Kukso y el físico argentino Juan Maldacena conversaron largo y tendido sobre esta teoría, que tiene sus fans incondicionales y sus más acérrimos detractores.

La física actual se apoya en dos grandes pilares-teorías incompatibles: la mecánica cuántica (que sirve para describir el interior del átomo y que se aplica a lo pequeño) y la teoría de la relatividad de Albert Einstein, que se aplica a las cosas pesadas (que suelen ser grandes) y describe el espacio-tiempo y la acción de la gravedad.

La gravedad del querido Newton es una de las cuatro fuerzas de la naturaleza que mantienen en pie todo lo existente (las otras son la fuerza electromagnética, y la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil que conviven en el interior del núcleo atómico). En la vida cotidiana, esta incompatibilidad lógica y matemática, que al final de su vida intentó resolver Einstein, no se advierte; pero en situaciones extremas como al principio del Big Bang, se nota.

Por eso aún no podemos explicar el principio del tiempo y el espacio: las teorías actuales no son válidas, ya que no consideran a la vez y dentro de la misma teoría la gravedad de la relatividad general y la mecánica cuántica; o sea: una no puede explicar los fenómenos de la otra. Esto puede solucionarse con la teoría de cuerdas, justamente.

A grandes rasgos, consiste en reemplazar las partículas —que en la física de partículas son puntos— por objetos unidimensionales: cuerditas que oscilan y que al vibrar de cierta manera generan ciertas partículas. Parece simple, pero esta sustitución de «ladrillos» (electrones, quarks, protones) por cuerdas como los constituyentes de la materia y la energía resuelve la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general.

Fuente: http://www.educ.ar/sitios/educar/recursos/ver?id=108628&referente=docentes

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