El Universo hubiera podido ser un desierto de partículas baldías, pero no lo ha sido. La materia es la fuente de la luz, del calor y la energía, es lo que da forma y propiedades a las cosas, ya estaba cuando la vida no existía y es la causa más primitiva de su evolución, está en el tejido neuronal que nos da la razón y nos hace conscientes de la realidad… ¡La materia lo es todo!

domingo, 15 de septiembre de 2013

3.- Programación de la gravedad retardada.


¿Acaso la realidad es como es porque calcula su propio futuro, de forma similar a las matemáticas que nos ayudan a predecirlo? ¿Tal vez conoce la solución general de sus propias ecuaciones, o más bien está especializada en unas reglas de aplicación instantánea que respeta escrupulosamente aunque no sepa por dónde va?
Cuando programamos en función del tiempo la ecuación de una elipse, una parábola o una hipérbola, es evidente que dicha ecuación permite calcular la posición en cualquier instante, como si representara una realidad que ya está determinada. Pero también podemos programar la evolución de los parámetros, calculando segundo a segundo sus dependencias dinámicas, y no conocer en absoluto la ecuación a la que responde. En ese caso no sabemos si la trayectoria se cerrará y se repetirá periódicamente, si perderá su origen o si evolucionará sin rumbo predecible.
Lo que se persigue en este apartado es la simulación de una realidad que no predice nada, una realidad ciega pero capaz de abrirse camino hacia la estabilidad como si la ecuación de su futuro ya estuviera escrita. Con otras palabras, se persigue programar una extrapolación del movimiento orbital pero añadiendo un retardo en las correcciones de la distancia, y considerando como distancia la que hay entre la masa menor y el centro de masas, es decir, una gravedad retardada como la planteada en el apartado 1, para la que no se conocen soluciones exactas. Después de todo, siempre nos queda el recurso de imitar el comportamiento de la ciega realidad, y comprobar si los resultados tienen suficiente parecido.
Por supuesto, una extrapolación repetitiva tiene que dar lugar a errores que se acumulan, sin saber ciertamente si las desviaciones se deben a dichos errores de cálculo o, en el peor de los casos, a errores de concepto que no se corresponden con la realidad. En el mejor de los casos, y a pesar de los errores que se acumulan, la respuesta debería ser como la esperada: Una realidad que se corrige a sí misma aunque no sepa cómo lo hace.
Comenzaremos fijando una posición inicial coincidente con el eje x y alejada del centro de masas una distancia d0. Fijaremos igualmente una velocidad inicial V0 sin componente radial, y por supuesto daremos cualquier valor a las masas M y m. Por lo tanto, la posición inicial será un perihelio o un afelio dependiendo del valor asignado a la velocidad inicial.

Tal como se ha indicado en la figura, el origen de referencia será el centro de masas porque la distancia r que nos importa es la que separa a la masa menor del centro de masas, y es la que aparece elevada al cuadrado en el denominador de la aceleración am. Aplicaremos un retardo de transporte τ a la distancia, que en una primera aproximación será lo que tardaría la luz en recorrer la distancia D entre las dos masas, que será entonces D/c. Sin embargo consideramos que la propagación real no es entre las dos masas sino entre una de ellas y el centro de masas, donde estaría localizado el campo central que resultaría de la superposición entre los dos campos. Como el retardo tiene que ser el mismo, también será igual a la relación r/c’, siendo c’ la verdadera velocidad de propagación.
Si nos preguntamos con qué velocidad se propagarían los cambios de posición de la otra masa M, habría que recordar que no es eso lo que importa, que es el tiempo de transporte lo que debe coincidir. Recordemos también que la propagación es en realidad una expansión hasta alcanzar un radio de enlace muchísimo más grande que la distancia real, lo que significa que dicha expansión será prácticamente la misma en los dos campos, y si aceptamos que existen reacciones reales entre los campos, los tiempos de transporte deben hacerse iguales, lo mismo que sucedería con dos vehículos amarrados por muy diferentes que fueran las velocidades que pueden desarrollar por separado.
Lo que debe hacer el programa es básicamente calcular una nueva posición en intervalos regulares de tiempo, que deben ser muy pequeños para reducir el error hasta un límite despreciable, de modo que llamaremos Δt al tiempo transcurrido entre dos actualizaciones consecutivas.
Esos intervalos de tiempo deben respetarse si el programa controla un proceso real, pero en una simulación solo importará su valor a efectos de cálculo, independientemente del tiempo real que transcurra entre dos actualizaciones consecutivas. Por lo tanto no se necesita temporizar los instantes de ejecución en los que se calcula nueva posición, repitiendo el proceso una y otra vez sin pausas intermedias.
Puesto que se propagan variaciones de posición en dirección radial (distancias al centro de masa), una vez fijada la distancia inicial d0 se puede definir en cuántos intervalos de propagación vamos a dividir esa distancia, llamando n al número de intervalos. La distancia que corresponde a un intervalo será igual a d0/n, y el tiempo de cada intervalo será Δt = (d0/n)/c’. Lógicamente, la velocidad c’ será muy próxima a la velocidad de la luz, lo que significa que los incrementos de tiempo serán muy pequeños y vamos a necesitar mucha potencia de cálculo si no queremos consumir la paciencia esperando resultados.
Por ejemplo si fijamos 10 intervalos en el caso de la Tierra y sabemos que el retardo de la luz es de 8 minutos aproximadamente, cada intervalo sería de 0.8 minutos o 48 segundos. Como sabemos que tarda un año o 31536000 segundos en completar una órbita, al dividirlo entre 48 segundos resulta que el programa necesitará calcular 657000 posiciones para completar una sola órbita. Pero como lo que se busca es comprobar si la órbita tiende a reducir su excentricidad, necesitaremos muchas repeticiones hasta verificar si los resultados lo demuestran. Por lo tanto, se puede pensar que 3 o 4 intervalos bastarían. Nótese que este procedimiento asegura una dependencia significativa del retardo de transporte, pues de otro modo podríamos utilizar incrementos de tiempo demasiado grandes y no habría ni una sola corrección de la distancia entre dos cálculos consecutivos de posición.
El problema fundamental es implementar el retardo de transporte, necesitando una lista de datos que vayan corriendo como si fueran el agua de un arroyo. Puesto que se debe retardar el valor de la distancia para el cálculo de la aceleración, los datos a transportar serán las distancias que se van obteniendo en cada ejecución. Cada vez que se determina una nueva distancia, su valor se introduce en la lista por uno de sus extremos, y cada vez que se calcula nueva aceleración se toma la distancia de la lista que sale por el otro extremo. Eso es básicamente un retardo de transporte, pero en nuestro caso no es tan sencillo…
Ciertamente, en cada Δt habrá una propagación de las distancias listadas que será igual a c’·Δt, pero las separaciones entre distancias propagadas no serán iguales aunque los Δt sí lo sean, ya que la masa m estará acercándose o alejándose con una determinada velocidad radial que llamaremos Vr, siendo positiva cuando se aleja. Por lo tanto en cada intervalo Δt habrá un desplazamiento de m igual a Vr· Δt que deberá sumarse a la propagación de la distancia anterior como si fuera un efecto doppler.
Hace falta otra lista de propagación que registre las separaciones o “longitudes de onda” entre las distancias que se propagan. Cada vez que se añade una nueva distancia en la primera lista, se añade igualmente en la segunda lista una “longitud de onda” λ = c’·Δt + Vr·Δt = (c’+Vr)·Δt.
En consecuencia con el párrafo anterior, una vez fijado el número n de intervalos iniciales y antes de comenzar el proceso de cálculo repetitivo, hay que cargar las dos listas con n+1 datos entre los que habrá n intervalos. Pero el problema es que los datos a cargar deberían corresponder a instantes de tiempo pasados, ya que son datos “retardados”. Eso significa que se debe comenzar con valores aproximados y la mejor forma de conseguirlo es comenzar en un perihelio o en un afelio, ya que la distancia y velocidad tendrán la menor variación posible. Por lo tanto se puede comenzar añadiendo n+1 distancias iguales a d0, y n+1 longitudes de onda iguales a d0/n. Puesto que los retardos iniciales tendrán un cierto error, las primeras posiciones que se calculen podrían quedar ligeramente desajustadas, pero eso no será problema si no se tienen en cuenta.
La siguiente figura es un ejemplo del significado de distancias retardadas (r0 a r5) y longitudes de onda (λ0 a λ5), coincidiendo r0 con la distancia actual al centro de masas y el resto serán distancias anteriores. En este esquema está la clave para comenzar el proceso repetitivo de los cálculos de posiciones, pero antes deben haberse definido las variables de posición x = d0 e y = 0, lo mismo que la velocidad radial Vr = 0 y la tangencial Vt = V0, y lo mismo que una distancia actual r = d0 y una distancia anterior r’ = d0 al comenzar.







De momento ya tendremos las dos listas de propagación de datos, cargadas con los n+1 datos como se ha explicado anteriormente, comenzando ahora el bucle de cálculos de posición que se repetirá hasta que se decida detener el proceso. No se mencionarán los requisitos necesarios para la representación gráfica, opciones de control y otras consideraciones de configuración, pues lo importante aquí no es más que dejar constancia del procedimiento de cálculo, que es lo que se pone a prueba y lo que pudiera ser motivo de discrepancias y cambios.
Inicio del bucle de cálculos de posición…
En primer lugar se irán leyendo y sumando longitudes de onda comenzando por la última guardada en la lista (λ0), hasta que la suma acumulada sea mayor o igual que la distancia actual (r). En el ejemplo de la figura anterior serían λ01234, de modo que el índice que apunta al último dato leído sería i = 4. En general, el centro de masa CM no coincidirá exactamente con la suma de longitudes de onda porque éstas varían dependiendo de la velocidad de la masa m, y por esa razón ha sido necesario sumar una por una hasta llegar o sobrepasar el centro de masas.
Por la misma razón, la distancia que se ha propagado con velocidad c’ hasta el centro de masas no coincidirá exactamente con el dato número i, por lo que habrá que interpolar con las distancia i e i+1, que en el ejemplo serían r4 y r5. Así se calcula el incremento de r que vemos en la figura anterior, y que sumado a la distancia i+1 determina la distancia rx que estaría llegando al centro de masas en el instante actual.
El valor rx es la distancia corregida con retraso que se debe aplicar para determinar la aceleración actual de la masa m, tal como se indicaba con la ecuación 25, es decir, rx es lo mismo que r(t- τ) de la ecuación 25, por lo que ya se puede calcular am como aceleración radial de la masa m, pues entendemos que no existe aceleración tangencial.
Los datos de las listas de propagación (distancias retardadas y longitudes de onda) que ya se han utilizado para calcular la aceleración se deberían borrar para que dejen de ocupar memoria, pues ya sabemos que hacen falta muchos millones de ellos para calcular solamente unas pocas órbitas completas. Si no se borran terminarían provocando problemas de memoria o ralentizarían mucho el programa. Por lo tanto, si el número de datos almacenados alcanza o supera el índice i+2, por ejemplo, entonces borraremos los datos i+2 de las dos listas. Como esto se ejecuta en cada repetición del bucle, siempre quedarán eliminados los datos que ya no son necesarios.
La aceleración debería ser negativa si consideramos que apunta hacia el centro de masas, pero habiéndola calculado como un valor positivo habrá que utilizar signo menos para calcular la nueva velocidad radial como se indica seguidamente. La velocidad tangencial no se ve modificada porque no existe aceleración tangencial, de modo que ya se pueden calcular los incrementos de distancia en dirección radial (Δdr) y en dirección tangencial (Δdt). Por simple proporcionalidad se obtienen los segmentos a, b, c y d, y a partir de ellos se calculan las nuevas coordenadas de posición x’ e y’.

La distancia r habrá cambiado porque se ha calculado una nueva posición, de modo que la nueva distancia es la raíz cuadrada que se ha indicado en la figura anterior. Pero antes de hacerlo hay que registrar su valor como distancia anterior r’, ya que de no hacerlo se perdería y veremos que se necesita consultar un poco más adelante.
Haber calculado la nueva posición y distancia no basta, pues resulta evidente que un cambio de posición implica una variación del ángulo φ, modificándose la dirección radial y la dirección tangencial. Por ello la velocidad radial y la velocidad tangencial ya no pueden ser correctas, lo que significa que se debe determinar la proyección del vector velocidad sobre las nuevas direcciones radial y tangencial. El módulo de la velocidad V se determina lógicamente como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus componentes radial y tangencial, tal como se indica en la siguiente figura.










Pero esa misma velocidad V se proyecta ahora sobre las nuevas direcciones, y para ello se multiplica escalarmente por los vectores unitarios en las nuevas direcciones radial y tangencial. Nótese que la velocidad tangencial no es modificada por la aceleración radial, pero las variaciones angulares hacen que cambie la dirección radial, afectando a la velocidad tangencial. Los resultados son las nuevas proyecciones de la velocidad que servirán para la siguiente ejecución del bucle de cálculo, por lo que deben actualizarse las velocidades Vr = V’r y Vt = V’t.
Ya solo falta introducir los nuevos datos de propagación en sus correspondientes listas, de modo que debe insertarse el valor de la distancia r en la posición 0 de la lista de distancias retardadas, ya que se consideró que el primero de los datos (r0) sería el correspondiente a la distancia actual. Igualmente, en la posición 0 de la lista de longitudes de onda debe insertarse la separación entre los datos de distancia anterior y actual… Puesto que el dato de la distancia anterior se habrá propagado c’·Δt, pero la masa m habrá recorrido la diferencia entre distancia actual y anterior (r-r’), entonces la separación entre los datos de distancia debe ser λ = c’·Δt + (r-r’), que será el valor a insertar en posición 0 de la lista de longitudes de onda.
…Fin del bucle de cálculos de posición.
Con esto finalizan los cálculos necesarios para determinar paso a paso una órbita con retardo de transporte, muy parecida a cualquier órbita de Newton pero supuestamente capaz de corregir su excentricidad aunque no existan influencias exteriores. También debería responder a una gravedad más intensa que la de Newton a medida que la relación entre masas se aproxime a la unidad. Todo esto se probará un poco más adelante, pero sería difícil hacerlo si no se añade un cálculo paralelo de la correspondiente órbita newtoniana, en lo que ahora nos ocuparemos.
Calcular una órbita de Newton resulta mucho más fácil, pero como se trata de trazar la órbita respecto del centro de masa y no la relativa respecto de la otra masa, pueden surgir algunas dudas que se deben aclarar acerca del sistema de referencia. Efectivamente, un observador situado en el centro de masa no vería la misma aceleración de la masa m que vería otro observador desde la masa M, y no por una simple cuestión de cambio de referencia que después de todo es equivalente. Por estar alineados con m, los dos observadores verían el vector aceleración apuntando hacia sí mismos, pero los módulos de dichas aceleraciones no serían iguales, lo que significa que uno de los dos estaría equivocado. Es evidente que el observador anclado en M debería compensar su propia aceleración para medir correctamente la aceleración de la otra masa. Al contrario, el centro de masa no tiene aceleración si el sistema se puede considerar aislado, y la medida del observador ligado al centro de masa sería correcta.
Por lo tanto, el cálculo de la aceleración que se ha hecho para determinar la trayectoria ha sido correcto, porque presupone como referencia el centro de masa y atribuye a dicha referencia la causa del movimiento. En cambio, ahora se quiere mantener el centro de masa como referencia, pero Newton atribuye la causa del movimiento de m a la otra masa… ¿Debe aplicarse algún tipo de compensación a la fuerza de la gravedad de Newton?
La respuesta es que no o que sí, todo depende de la interpretación. Hace falta una compensación si entendemos que la distancia es la que hay entre m y el centro de masas, pero no hace falta si tomamos como distancia la que hay entre las dos masas aunque no se corresponda con la referencia del centro de masas. Es más fácil considerar siempre la distancia entre masas que suponer una masa reducida que no es cierta, pero en todo caso se compensa masa o se compensa distancia, en todo caso debemos corregir la gravedad de Newton para calcular correctamente una órbita, y eso es extraño, porque se nos puede escapar una sospecha de que algo falla con la gravedad de Newton.


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