jueves, 18 de julio del 2019 Fecha
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Velocidades inimaginables

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (0)

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En el centro del átomo se encuentra un pequeño grano compacto aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el propio átomo: el núcleo atómico. Su masa, e incluso más aún su carga eléctrica, determinan las propiedades del átomo del cual forma parte. Debido a la solidez del núcleo parece que los átomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre sí, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias químicas (los elementos). Pero el núcleo, a pesar de ser tan sólido, puede partirse. Si dos átomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podría suceder que los núcleos llegaran a chocar entre sí y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso partículas subnucleares. La nueva física de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas partículas planteaban.

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Pero tenemos la mecánica cuántica; ¿es que no es aplicable siempre?, ¿cuál es la dificultad? Desde luego, la mecánica cuántica es válida para las partículas subatómicas, pero hay más que eso. Las fuerzas con que estas partículas interaccionan y que mantienen el núcleo atómico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del núcleo están cerca de la velocidad de la luz, c, que es de 299.792’458 Km/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificación a las leyes de la física del siglo XIX; tenemos que contar con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Esta teoría también fue el resultado de una publicación de Einstein de 1905. en esta teoría quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habrá un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.

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Pero había más cosas que tenían que ser relativas. En este teoría, la masa y la energía también dependen de la velocidad, como lo hacen la intensidad del campo eléctrico y del magnético. Einstein descubrió que la masa de una partícula es siempre proporcional a la energía que contienen, supuesto que se haya tenido en cuenta una gran cantidad de energía en reposo de una partícula cualquiera, como se denota a continuación:

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E = mc2

Como la velocidad de la luz es muy grande, esta ecuación sugiere que cada partícula debe almacenar una cantidad enorme de energía, y en parte esta predicción fue la que hizo que la teoría de la relatividadtuviese tanta importancia para la física (¡y para todo el mundo!). Para que la teoría de la relatividadtambién sea autoconsistente tiene que ser holista, esto es, que todas las cosas y todo el mundo obedezcan a las leyes de la relatividad. No son sólo los relojes los que se atrasan a grandes velocidades, sino que todos los procesos animados se comportan de la forma tan inusual que describe esta teoría cuando nos acercamos a la velocidad de la luz. El corazón humano es simplemente un reloj biológico y latirá a una velocidad menor cuando viaje en un vehículo espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Este extraño fenómeno conduce a lo que se conoce como la “paradoja de los gemelos”, sugerida por Einstein, en la que dos gemelos idénticos tienen diferente edad cuando se reencuentran después de que uno haya permanecido en la Tierra mientras que el otro ha viajado a velocidades relativistas.

Einstein comprendió rápidamente que las leyes de la gravedad también tendrían que ser modificadas para que cumplieran el principio relativista.

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Para poder aplicar el principio de la relatividad a la fuerza gravitatoria, el principio tuvo que ser extendido de la siguiente manera: no sólo debe ser imposible determinar la velocidad absoluta del laboratorio, sino que también es imposible distinguir los cambios de velocidad de los efectos de una fuerza gravitatoria.

Einstein comprendió que la consecuencia de esto era que la gravedad hace al espacio-tiempo lo que la humedad a una hoja de papel: deformar la superficie con desigualdades que no se pueden eliminar. Hoy en día se conocen muy bien las matemáticas de los espacios curvos, pero en el época de Einstein el uso de estas nociones matemáticas tan abstractas para formular leyes físicas era algo completamente nuevo, y le llevó varios años encontrar la herramienta matemática adecuada para formular su teoría general de la relatividad que describe cómo se curva el espacio en presencia de grandes masas como planetas y estrellas.

Einstein tenía la idea en su mente desde 1907 (la relatividad especial la formuló en 1905), y se pasó 8 años buscando las matemáticas adecuadas para su formulación.

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Leyendo el material enviado por un amigo al que pidió ayuda, Einstein quedó paralizado. Ante él, en la primera página de una conferencia dada ante el Sindicato de Carpinteros, 60 años antes por un tal Riemann, tenía la solución a sus desvelos: el tensor métrico de Riemann, que le permitiría utilizar una geometría espacial de los espacios curvos que explicaba su relatividad general.

No está mal que en este punto recordemos la fuerza magnética y gravitatoria que nos puede ayudar a comprender mejor el comportamiento de las partículas subatómicas.

El electromagnetismo, decíamos al principio, es la fuerza con la cual dos partículas cargadas eléctricamente se repelen (si sus cargas son iguales) o se atraen (si tienen cargas de signo opuesto).

Resultado de imagen de Las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético

La interacción magnética es la fuerza que experimenta una partícula eléctricamente cargada que se mueve a través de un campo magnético. Las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético como, por ejemplo, los electrones que fluyen a través de las espiras de una bobina.

Las fuerzas magnéticas y eléctricas están entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consiguió formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas eléctricas y magnéticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consiguió la teoría unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.

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¿Qué dicen?


La electricidad y el magnetismo no pueden desvanecerse sin más. Una región de un campo eléctrico girando crea un campo magnético perpendicular al giro. Una región de un campo magnético girando crea un campo eléctrico perpendicular al giro, pero en el sentido opuesto.

¿Por qué es importante?


Fue la primera unificación importante de fuerzas físicas, mostrando que la electricidad y el magnetismo están íntimamente interrelacionados, o, son dos aspectos diferentes de la misma cosa.

¿Qué provocó?


La predicción de que las ondas electromagnéticas existen, desplazándose a la velocidad de la luz, de modo que la propia luz es una de dichas ondas. Esto motivó la invención de la radio, el radar, la televisión, las conexiones inalámbricas para los ordenadores y la mayoría de las comunicaciones modernas.

La interacción es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante débil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electrón y 2hc (dos veces la constante de Planck por la velocidad de la luz). Esta fracción es aproximadamente igual a 1/137’036…, o lo que llamamos Alfa  (α) y se conoce como constante de estructura fina.

En general, el alcance de una interacción electromagnética es inversamente proporcional a la masa de la partícula mediadora, en este caso, el fotón, sin masa.

También antes hemos comentado sobre la interacción gravitatoria de la que Einstein descubrió su compleja estructura y la expuso al mundo en 1915 con el nombre de teoría general de la relatividad, y la relacionó con la curvatura del espacio y el tiempo. Sin embargo, aún no sabemos cómo se podrían reconciliar las leyes de la gravedad y las leyes de la mecánica cuántica (excepto cuando la acción gravitatoria es suficientemente débil).

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La teoría de Einstein nos habla de los planetas y las estrellas del cosmos. La teoría de Planck, Heisemberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y tantos otros, nos habla del comportamiento del átomo, del núcleo, de las partículas elementales en relación a estas interacciones fundamentales. La primera se ocupa de los cuerpos muy grandes y de los efectos que causan en el espacio y en el tiempo; la segunda de los cuerpos muy pequeños y de su importancia en el universo atómico. Cuando hemos tratado de unir ambos mundos se produce una gran explosión de rechazo. Ambas teorías son (al menos de momento) irreconciliables.

  • La interacción gravitatoria actúa exclusivamente sobre la masa de una partícula.
  • La gravedad es de largo alcance y llega a los más lejanos confines del universo conocido.
  • Es tan débil que, probablemente, nunca podremos detectar esta fuerza de atracción gravitatoria entre dos partículas elementales. La única razón por la que podemos medirla es debido a que es colectiva: todas las partículas (de la Tierra) atraen a todas las partículas (de nuestro cuerpo) en la misma dirección.

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El gravitón hace tiempo que se ríe de nosotros…y se oculta donde no lo podamos ver

La partícula mediadora es el hipotético gravitón. Aunque aún no se ha descubierto experimentalmente, sabemos lo que predice la mecánica cuántica: que tiene masa nula y espín 2.

La ley general para las interacciones es que, si la partícula mediadora tiene el espín par, la fuerza entre cargas iguales es atractiva y entre cargas opuestas repulsiva. Si el espín es impar (como en el electromagnetismo) se cumple a la inversa.

Pero antes de seguir profundizando en estas cuestiones hablemos de las propias partículas subatómicas, para lo cual la teoría de la relatividad especial, que es la teoría de la relatividad sin fuerza gravitatoria, es suficiente.

Resultado de imagen de El núcleo atómico y su contenidoResultado de imagen de El núcleo atómico y su contenido

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones, que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrónrecuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 106 electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 106 (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementaccles.

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La mayoría de los núcleos atómicos contienen más neutrones que protones. Los protones se encuentran tan juntos en el interior de un núcleo tan pequeño que se deberían repeles entre sí fuertemente, debido a que tienen cargas eléctricas del mismo signo. Sin embargo, hay una fuerza que los mantiene unidos estrechamente y que es mucho más potente e intensa que la fuerza electromagnética: la fuerza o interacción nuclear fuerte, unas 102 veces mayor que la electromagnética, y aparece sólo entre hadronespara mantener a los nucleones confinados dentro del núcleo. Actúa a una distancia tan corta como 10-15 metros, o lo que es lo mismo, 0’000000000000001 metros.

La interacción fuerte está mediada por el intercambio de mesones virtuales, 8 gluones que, como su mismo nombre indica (glue en inglés es pegamento), mantiene a los protones y neutrones bien sujetos en el núcleo, y cuanto más se tratan de separar, más aumenta la fuerza que los retiene, que crece con la distancia, al contrario que ocurre con las otras fuerzas.

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La luz es una manifestación del fenómeno electromagnético y está cuantizada en “fotones”, que se comportan generalmente como los mensajeros de todas las interacciones electromagnéticas. Así mismo, como hemos dejado reseñado en el párrafo anterior, la interacción fuerte también tiene sus cuantos (los gluones). El físico japonés Hideki Yukawa (1907 – 1981) predijo la propiedad de las partículas cuánticas asociadas a la interacción fuerte, que más tarde se llamarían piones. Hay una diferencia muy importante entre los piones y los fotones: un pión es un trozo de materia con una cierta cantidad de “masa”. Si esta partícula está en reposo, su masa es siempre la misma, aproximadamente 140 MeV, y si se mueve muy rápidamente, su masa parece aumentar en función E = mc2. Por el contrario, se dice que la masa del fotónen reposo es nula. Con esto no decimos que el fotón tenga masa nula, sino que el fotón no puede estar en reposo. Como todas las partículas de masa nula, el fotón se mueve exclusivamente con la velocidad de la luz, 299.792’458 Km/s, una velocidad que el pión nunca puede alcanzar porque requeriría una cantidad infinita de energía cinética. Para el fotón, toda su masa se debe a su energía cinética.

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Los físicos experimentales buscaban partículas elementales en las trazas de los rayos cósmicos que pasaban por aparatos llamados cámaras de niebla. Así encontraron una partícula coincidente con la masa que debería tener la partícula de Yukawa, el pión, y la llamaron mesón (del griego medio), porque su masa estaba comprendida entre la del electrón y la del protón. Pero detectaron una discrepancia que consistía en que esta partícula no era afectada por la interacción fuerte, y por tanto, no podía ser un pión. Actualmente nos referimos a esta partícula con la abreviatura μ y el nombre de muón, ya que en realidad era un leptón, hermano gemelo del electrón, pero con 200 veces su masa.

Antes de seguir veamos las partículas elementales de vida superior a 10-20 segundos que eran conocidas en el año 1970.

Nombre Símbolo Masa (MeV) Carga Espín Vida media (s)
Fotón γ 0 0 1
Leptones (L = 1, B = 0)
Electrón e- 0’5109990 ½
Muón μ- 105’6584 ½ 2’1970 × 10-6
Tau τ
Neutrino electrónico νe ~ 0 0 ½ ~ ∞
Neutrino muónico νμ ~ 0 0 ½ ~ ∞
Neutrino tauónico ντ ~ 0 0 ½ ~ ∞
Mesones (L = 0, B = 0)
Pión + π+ 139’570 2’603 × 10-8
Pión – π- 139’570 2’603 × 10-8
Pión 0 π0 134’976 0’84 × 10-16
Kaón + k+ 493’68 1’237 × 10-8
Kaón – k- 493’68 1’237 × 10-8
Kaón largo kL 497’7 5’17 × 10-8
Kaón corto kS 497’7 0’893 × 10-10
Eta η 547’5 0 0 5’5 × 10-19
Bariones (L = 0, B = 1)
Protón p 938’2723 + ½
Neutrón n 939’5656 0 ½ 887
Lambda Λ 1.115’68 0 ½ 2’63 × 10-10
Sigma + Σ+ 1.189’4 + ½ 0’80 × 10-10
Sigma – Σ- 1.1974 ½ 7’4× 10-20
Sigma 0 Σ0 0 ½ 1’48 × 10-10
Ksi 0 Ξ0 1.314’9 0 ½ 2’9 × 10-10
Ksi – Ξ- 1.321’3 ½ 1’64 × 10-10
Omega – Ω- 1.672’4 0’82 × 10-10

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Para cada leptón y cada barión existe la correspondiente antipartícula, con exactamente las mismas propiedades a excepción de la carga que es la contraria. Por ejemplo, el antiprotón se simboliza con  y el electrón con e+. Los mesones neutros son su propia antipartícula, y el π+ es la antipartícula del π-, al igual que ocurre con k+ y k-. El símbolo de la partícula es el mismo que el de su antipartícula con una barra encima. Las masas y las vidas medias aquí reflejadas pueden estar corregidas en este momento, pero de todas formas son muy aproximadas.

Los símbolos que se pueden ver algunas veces, como s (extrañeza) e i (isoespín) están referidos a datos cuánticos que afectan a las partículas elementales en sus comportamientos.

Debo admitir que todo esto tiene que sonar algo misterioso. Es difícil explicar estos temas por medio de la simple palabra escrita sin emplear la claridad que transmiten las matemáticas, lo que, por otra parte, es un mundo secreto para el común de los mortales, y ese lenguaje es sólo conocido por algunos privilegiados que, mediante un sistema de ecuaciones pueden ver y entender de forma clara, sencilla y limpia, todas estas complejas cuestiones.

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Si hablamos del espín (o, con más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un múltiplo de la constante de Planckh, dividido por . Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partícula – aunque no la dirección del mismo – es fijo.

El electrón, por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses, Samuel Gondsmit (1902 – 1978) y George Uhlenbeck (1900 – 1988), que escribieron sus tesis conjuntamente sobre este problema en 1972. Fue una idea audaz que partículas tan pequeñas como los electronespudieran tener espín, y de hecho, bastante grande. Al principio, la idea fue recibida con escepticismo porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz, lo cual va en contra de la teoría de la relatividad general en la que está sentado que nada en el universo va más rápido que la luz, y por otra parte, contradice E=mc2, y el electrón pasada la velocidad de la luz tendría una masa infinita.

Hoy día, sencillamente, tal observación es ignorada, toda vez que el electrón carece de superficie.

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Las partículas con espín entero se llaman bosones, y las que tienen espín entero más un medio se llaman fermiones. Consultado los valores del espín en la tabla anterior podemos ver que los leptones y los bariones son fermiones, y que los mesones y los fotones son bosones. En muchos aspectos, los fermionesse comportan de manera diferente de los bosones. Los fermiones tienen la propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden ocupar o estar en el mismo punto, y su movimiento está regido por ecuaciones tales que se evitan unos a otros. Curiosamente, no se necesita ninguna fuerza para conseguir esto. De hecho, las fuerzas entre los fermiones pueden ser atractivas o repulsivas, según las cargas. El fenómeno por el cual cada fermión tiene que estar en un estado diferente se conoce como el principio de exclusión de Pauli. Cada átomo está rodeado de una nube de electrones, que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra, dando como resultado una fuerza repulsiva. Cuando aplaudimos, nuestras manos no se atraviesan pasando la uno a través de la otra. Esto es debido al principio de exclusión de Pauli para los electrones de nuestras manos que, de hecho, los de la izquierda rechazan a los de la derecha.

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En contraste con el característico individualismo de los fermiones, los bosones se comportan colectivamente y les gusta colocarse todos en el mismo lugar. Un láser, por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son bosones.

Cuando hemos hablado de las fuerzas fundamentales que, de una u otra forma, interaccionan con la materia, también hemos explicado que la interacción débil es la responsable de que muchas partículas y también muchos núcleos atómicos exóticos sean inestables. La interacción débil puede provocar que una partícula se transforme en otra relacionada, por emisión de un electrón y un neutrino. Enrico Fermi, en 1934, estableció una fórmula general de la interacción débil, que fue mejorada posteriormente por George Sudarshan, Robert Marschak, Murray Gell-Mann, Richard Feynman y otros. La fórmula mejorada funciona muy bien, pero se hizo evidente que no era adecuada en todas las circunstancias.

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¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón?

Basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D.

Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil así

Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos nñucleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrónes).

En 1970, de las siguientes características de la interacción débil sólo se conocían las tres primeras:

  • La interacción actúa de forma universal sobre muchos tipos diferentes de partículas y su intensidad es aproximadamente igual para todas (aunque sus efectos pueden ser muy diferentes en cada caso). A los neutrinos les afecta exclusivamente la interacción débil.
  • Comparada con las demás interacciones, ésta tiene un alcance muy corto.
  • La interacción es muy débil. Consecuentemente, los choques de partículas en los cuales hay neutrinos involucrados son tan poco frecuentes que se necesitan chorros muy intensos de neutrinospara poder estudiar tales sucesos.
  • Los mediadores de la interacción débil, llamados W+, W- y Z0, no se detectaron hasta la década de 1980. al igual que el fotón, tienen espín 1, pero están eléctricamente cargados y son muy pesados (esta es la causa por la que el alcance de la interacción es tan corto). El tercer mediador, Z0, que es responsable de un tercer tipo de interacción débil que no tiene nada que ver con la desintegración de las partículas llamada “corriente neutra”, permite que los neutrinos puedan colisionar con otras partículas sin cambiar su identidad.

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A partir de 1970, quedó clara la relación de la interacción débil y la electromagnética (electrodébil de Weinberg-Salam).

La interacción fuerte (como hemos dicho antes) sólo actúa entre las partículas que clasificamos en la familia llamada de los hadrones, a los que proporciona una estructura interna complicada. Hasta 1972 sólo se conocían las reglas de simetría de la interacción fuerte y no fuimos capaces de formular las leyes de la interacción con precisión.

Como apuntamos, el alcance de esta interacción no va más allá del radio de un núcleo atómico ligero (10-13cm aproximadamente).

Fuerza fuerte

En 1963, cuando se supo que protones y neutrones (los llamados nucleones) están formados por Quarks, se pensó que la fuerza fuerte actúa realmente entre los Quarks.

En la teoría cuántica de campos, a cada tipo de interacción le corresponde una familia de partículas portadoras de la interacción.Las partículas que transportan la fuerza fuerte nuclear que interactúa entre los quarks se denominan gluones.

La fuerza nuclear fuerte se deduce del requisito de que las ecuaciones que describen a los quarks deben ser las mismas, independientemente de cómo se elija la definición de  los colores de los quarks.

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La interacción es fuerte. En realidad, la más fuerte de todas.

Lo dejaré aquí, en verdad, eso que el Modelo Estándar de la Física, es feo, complejo e incompleto y, aunque hasta el momento es una buena herramienta con la que trabajar, la verdad es que, se necesita un nuevo modelo más avanzado y que incluya la Gravedad.

Veremos que nos trae la nueva etapa del LHC.

emilio silvera

¿Había algo antes del Big Bang?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Conjeturas    ~    Comentarios Comments (1)

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ABC- Ciencia

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Según la teoría de la Cosmología Cíclica Conforme, de Sir Roger Penrose, el Universo vive un ciclo continuo e infinito de «creaciones»

“ A la izquierda: Imagen en el óptico de la nebulosa del Cangrejo tomada por el telescopio Hubble, a la que se han asignado colores falsos para resaltar los diferentes elementos químicos que la componen. La nebulosa abarca una distancia de unos 6 años luz. En el centro: Imagen del objeto en rayos XA la derecha: Recreación artística de la estrella de neutrones central, de apenas unos kilómetros de diámetro, con su campo magnético. El eje de rotación del púlsar queda representado por la línea vertical de color verde. Las franjas azules, paralelas al eje que forman los polos magnéticos del astro, simbolizan los haces de radiación emitidos por el objeto. Debido a la rápida rotación de la estrella, esos haces se orientan hacia la Tierra una vez cada 33 milisegundos. Cuando eso ocurre, desde nuestro planeta se observa un breve pulso de radiación electromagnética muy energética”
La Nebulosa se formó tras una explosión de Supernova,claro que,el término explosión,si está referido al Big Bang,se queda muy corto para describir todo lo que allí,se supone que pasó.
 NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)
Héctor Socas, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Créditos: ACTPress.

 

POR HÉCTOR SOCAS NAVARRO/Investigador en el Instituto Astrofísico de Canarias (IAC)

 

Sir Roger Penrose es una leyenda viva de la Física. Durante el festival Starmus tuve el placer de escucharle explicando su controvertida teoría cosmológica. Su exposición fue tan elocuente, convincente e incluso divertida, que me causó una profunda impresión. A ver si en este artículo consigo explicarla de forma mínimamente coherente.

Estamos bastante seguros de que el Universo entero comenzó con lo que se llama el Big Bang (la «gran explosión») hace la friolera de 13,700 millones de años. En realidad, lo de la explosión no es una muy buena metáfora. Este nombre lo acuñó despectivamente el astrofísico Fred Hoyle durante la retransmisión de un programa de radio de la BBC en 1949. Hoyle se burlaba con él de la absurda teoría que había propuesto el sacerdote (además de físico y matemático) Georges Lemaître. El propio Einsteinal principio tampoco creía en las ideas de Lemaître. El prejuicio de la época era que el Universo debía ser algo estático e inmutable. Pero las matemáticas de Lemaître eran impepinables.

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Georges Lemaître y Albert Einstein que, tras muchas discusiones…

Su solución de las ecuaciones de Einstein implicaba que el Universo debía estar o bien expandiéndose o bien colapsando, cayendo sobre sí mismo como un edificio en demolición. Visto con perspectiva histórica, debe dar mucha rabia eso de que alguien coja las ecuaciones que son el trabajo de tu vida y las resuelva magistralmente para llegar a una conclusión que aborreces. Las discusiones entre Einstein y Lemaître, que llevaron al primero a proponer la existencia de una «constante cosmológica», merecerían un artículo aparte. Por lo pronto, baste decir que, como buen científico, Einstein acabó aceptando la evidencia, tanto teórica como empírica, que comenzaba a acumularse. Pese a sus prejuicios iniciales, terminó abrazando la idea de que, efectivamente, el Universo se estaba expandiendo.

La singularidad original

La historia sería más o menos así: Al principio de los tiempos, todo el Universo estaba concentrado en una singularidad, un punto de densidad infinita que repentinamente estalló en ese instante inicial, saltando toda la materia, energía y espacio despedidos en todas direcciones. A medida que pasa el tiempo, la Física nos dice que las galaxias van a sentir el tirón gravitatorio unas de otras, y esto debería hacer que poco a poco se vayan frenando. Cuánto se van a frenar dependerá de cuánta masa haya en el Universo. Si hay mucha, la gravedad terminará por dominar, la expansión se detendrá y el Universo volverá a caer sobre sí mismo.

NASA / WMAP Science Team

Si hay poca, la atracción será incapaz de frenar la expansión y el Universo continuará expandiéndose por toda la eternidad, aunque a menor velocidad. La distinción es trascendental, con implicaciones hasta en el plano espiritual. Porque un Universo que vuelve a colapsar se presta a la perspectiva del ciclo infinito de big bang-big crunch, el ciclo continuo y eterno de creación y destrucción. Mientras que la otra posibilidad nos lleva a una insulsa muerte final de toda la existencia, más que nada por aburrimiento.

La sorpresa de la densidad crítica

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De la Densidad Crítica, o lo que los Cosmólogos llaman el Omega Negro (la materia existente en el Universo), dependerá su final. Tres podrían ser las clases de Universo en el que vivimos.

De hecho, estamos tan cerca de esta divisoria crítica que nuestras observaciones no pueden decirnos con seguridad cuál es la válida a largo plazo. En realidad, es la estrecha proximidad de la expansión a la línea divisoria lo que constituye el gran misterio: a priori parece altamente poco probable que se deba al azar. Los universos que se expanden demasiado rápidamente son incapaces de agregar material para la formación de estrellas y galaxias, de modo que no pueden formarse bloques constituyentes de materiales necesarios para la vida compleja. Por el contrario, los universos que se expanden demasiado lentamente terminan hundiéndose antes de los miles de millones de años necesarios para que se tomen las estrellas.

Sólo universos que están muy cerca de la divisoria crítica pueden vivir el tiempo suficiente y tener una expansión suave para la de estrellas y planetas… y ¡vida!

La cantidad de masa (o, hablando con más precisión, de energía) que se necesita para pasar de un comportamiento a otro se llama «densidad crítica». No hace mucho, cuando yo estudiaba, sin ir más lejos (y créanme que tampoco hace tanto de eso), nos preguntábamos si en el Universo había más o menos densidad que la crítica. Parecía que no, que era muy pequeña, que no sería suficiente toda la masa para volver a cerrar el ciclo. Pero claro, en aquella época no se conocían la materia y la energía oscura. Si tenemos en cuenta estos factores, nos encontramos con uno de los grandes misterios de la cosmología moderna: ¡Resulta que tiene exactamente la densidad crítica!

La radiación de fondo de microondas, una de las mayores evidencias de que ocurrió un Big Bang
La radiación de fondo de microondas, una de las mayores evidencias de que ocurrió un Big Bang- WIKIPEDIA

La revelación de que la densidad del Universo es exactamente la crítica (con tanta precisión como somos capaces de medir), sacudió el mundo de la Física. Y es que, aunque sea en el plano subconsciente, se hace difícil no evocar la imagen de un creador para explicar tal coincidencia cósmica. La situación de crisis existencial se resolvió poco después, para alivio de muchos, con la llegada de la teoría de la inflación.

Por ponerlo en términos muy simples, esta teoría nos dice que durante la primera fracción de segundo (técnicamente, desde los 10-36 hasta los 10-32 segundos), el Universo sufrió una expansión tan brutalmente violenta, que el término «explosión» se queda muy corto para describir lo que ocurrió. La expansión en esa época fue acelerada exponencialmente, que es una forma que hay en Física de decir enormemente rápida.

Los cosmólogos suelen decir que todo lo que existe pasó de tener el tamaño de un átomo al de un melón. Por alguna razón se suele usar el melón como medida de referencia. Podrían decir que medía 30 centímetros, que era como un balón de baloncesto o como un florero grande. Pero no, parece que lo del melón lleva camino de convertirse en la unidad estándar de volumen cósmico, algo así como el campo de fútbol lo es hoy en día para medir áreas de monte quemado.

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La cuestión es que a este disparatado crecimiento del espacio, infinitamente más rápido que la luz, se le llama inflación. Es un poco contraintuitivo porque, en lenguaje cotidiano, el verbo inflar nos suena mucho más suave y benigno que explotar. Es bien conocido que los físicos no son muy buenos para poner nombres a las cosas. No entendemos bien cómo y por qué ocurrió la inflación salvo que parece estar relacionado con lo que se llama «gran unificación», la época en la que las tres fuerzas fundamentales de la naturaleza eran una, grande y única.

El Universo no se frena

El otro gran descubrimiento que ha tenido lugar desde los tiempos de Einstein es otro hallazgo reciente que también ha causado cierta zozobra existencial. Discutíamos antes las dos posibilidades sobre hasta qué punto sería la gravedad capaz de frenar la expansión del Universo, creando un ciclo continuo de explosión-colapso (Big Bang-Big Crunch) o bien una expansión que se iría ralentizando eternamente pero sin llegar nunca a detenerse del todo. Pues bien, hoy en día sabemos que no va a ser ni lo uno ni lo otro. Resulta que el Universo no se está frenando. No tiene visos de querer volver a colapsar pero tampoco está ralentizando su marcha.

Antes al contrario, las observaciones nos muestran que desde hace 5,000 millones de años (un tercio de su vida), el Universo ha dejado de frenarse y ¡ha comenzado a acelerar! Este resultado fue obtenido por dos grupos independientemente y ambos recibieron el Premio Nobel en 2011. Fue tan sorprendente que ninguno de los dos grupos se atrevió a publicarlo hasta que se enteraron de los resultados del otro. Para explicar el fenómeno, los teóricos han tenido que postular la existencia de una «energía oscura», que sería omnipresente en todo el espacio vacío.

El ciclo continuo de Penrose

Hasta aquí hemos explicado la cosmología moderna canónica, la visión aceptada mayoritariamente por los expertos en el tema. ¿Qué es, entonces, lo que añade Penrose? Pues, según su teoría, estas dos revelaciones, la inflación y la expansión acelerada del Universo, están íntimamente relacionadas. De hecho, serían la misma cosa. Para Penrose, el Universo vive un ciclo continuo e infinito de «creaciones», pero no en el modelo tradicional de explosión-colapso.

Una fotografía de Roger Penrose, tomada en 2005
Una fotografía de Roger Penrose, tomada en 2005- Festival della Scienza

En su lugar, Penrose postula que cada uno de los ciclos (que él llama eones) acaba con una fase de expansión acelerada que se convierte en la inflación del eón siguiente. Lo de Penrose no es una ocurrencia, es una teoría. Esto significa que ha resuelto las ecuaciones de la relatividad general y los números cuadran salvo por un factor de escala. Quiere decirse que las escalas del nuevo universo son mucho mayores, tanto en el espacio como en el tiempo.

De Universo a melón

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Así, todo nuestro Universo en expansión acelerada, está camino de convertirse en lo que sería un melón del Universo siguiente. Y los miles de millones de años que dura esta expansión serían la breve fracción de segundo en aquel nuevo Universo. Quizás en un futuro increíblemente distante, habrá criaturas inconcebiblemente grandes y lentas en el siguiente eón, investigando esta época en la que vivimos hoy en día, a la que quizás den el absurdo nombre de inflación y quizás la consideren el origen de su universo. Una implicación particularmente profunda de todo esto es que, de ser cierto, estaríamos ahora mismo viviendo un nuevo big bang que comenzó hace 5,000 millones de años y lo estaríamos viendo transcurrir a cámara superlenta.

Sir Roger Penrose, sustentador de esta teoría, en el Festival della Scienza, Génova, 2011.

Quiero resaltar que esta teoría, llamada Cosmología Cíclica Conforme, no es la aceptada por la mayoría de los cosmólogos. Sin embargo, no hay nada incorrecto o erróneo en ella, que sepamos. Penrose es uno de los mayores expertos mundiales en la física de la relatividad general y la cosmología. Su teoría cumple con la física conocida y esto sí que es un mérito que le concede la comunidad. Al igual que hizo Lemaître hace un siglo, ha encontrado una solución matemática correcta a las ecuaciones de la Física que conocemos, pero es una solución que aborrecen sus colegas por razones más filosóficas que científicas.

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Un aspecto particularmente fascinante es que, como toda buena teoría, la naturaleza cuantitativa de la cosmología de Penrose le permite hacer predicciones. Las ecuaciones indican que los eones no son completamente independientes y algo de información se puede transmitir de uno a otro. En particular, las ondas gravitacionales (ésas que recientemente detectó el experimento LIGO) creadas por catástrofes cósmicas en el eón anterior podrían atravesar la época de la inflación y llegar hasta nuestros días. Estas ondas producirían patrones de anillos concéntricos en el fondo cósmico de microondas. Ni que decir tiene que muchos investigadores están ya manos a la obra buscando esos anillos. Si se encontraran, sería la primera observación de algo que ocurrió antes del Big Bang.

Héctor Socas Navarro es investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y divulgador en «Coffe Break». El autor agradece al Dr Jose Alberto Rubiño por su lectura crítica y comentarios para mejorar este artículo.

Si la respuesta es…¡El Universo! ¿Cuál es la pregunta?

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El pensamiento “generalizado” hoy en día en la mayoría de los astrónomos, astrofísicos y demás científicos afines a la ciencia del Universo, es que, pueden existir miles de planetas habitados dentro de nuestra propia Galaxia, la Vía Láctea. Ahora sabemos que el Universo no conoce límite alguno ni en el espacio ni en el tiempo que, según todos los indicios, ha estado expandiéndose durante 13.700 millones de años que, es un período de tiempo más que suficiente para que las estrellas que han exisitido desde entonces, tuvieran el tiempo necesario para producir todos los elementos que conocemos y que hicieron posible el surgir de la vida aquí en la Tierra y…probablemente, en “otras Tierras” que en la Galaxia Vía Láctea estén, y, de la misma manera, en los miles de millones de galaxias que pueblan el vasto universo que hemos llegado a conocer.

Más allá de la metagalaxia, a la que pertenecen todos los sistemas galácticos que conocemos, tienen, necesariamente, que existir otros mundos que, como el nuestro, estén habitados por seres de toda índole y pelaje, inteligentes también. La metagalaxia consta de hipergalaxias, es decir, de grupos de sistemas galácticos. Nuestro sistema galáctico cuenta con dos “satélites”: la Gran Nebulosa de Magallanes, distante 38.000 Parsec de nosotros y la Pequeña Nebulosa de Magallanes, a 36.000 Parsecs. La Nebulosa de Andrómeda es un sistema compuesto por cinco galaxias. Por lo general existen “puentes” de estrellas entre galaxias que constituyen un grupo. Se podría decir que que los grupos de galaxias estarían unidos por hilos de estrellas de manera tal que, muchas veces, nos cuesta trabajo asegurar a qué galaxia pertenece una estrella determinada.

http://apod.nasa.gov/apod/image/1108/NGC7331_crawford900c.jpg

Tengo la suerte de que, Ken Crawford (Rancho Del Sol Obs.), me envíe regularmente imágines que obtiene en su Observatorio, y, en esta ocasión, recibí la imagen de la gran y bella galaxia espiral NGC 7331 que es a menudo vendida como una análoga a nuestra Vía Láctea. Está situada a 50 millones de años luz de distancia en la norteña constelación de Pegaso. En la imagen podemos vislumbrar otras galaxias que achican su imagen debido a que sus distancias están mucho más alejadas de nosotros.

La Constelación de Virgo cuenta con más de 3.000 galaxias, la Cabellera de Berenice con más de 10.000. Las supergalaxias tienen un diámetro de 30 o 40 megaparsecs. No conocemos el número exacto de supergalaxias cuyos conjuntos constituyen las megagalaxias. Y, sin embargo, la metagalaxia es sólo una pequeña fracción del “universo infinito” de un universo que, para nuestro tiempo, se podría decir que existe desde la eternidad y que existirá también eternamente (aunque sabemos que no es así), al menos nos lo puede parecer.

Nuestro Universo está cuajado de maravillas como ésta. La Galaxia de la rueda de la carreta (también conocido bajo el nombre de ESO 350-40) es una galaxia lenticular o anular situada a cerca de 500 millones de años luz de distancia en la constelación del escultor en el hemisferio meridional. Es rodeada de un anillo de 150 000 años de luz de diámetro, compuesto de estrellas jóvenes y brillantes. Esta galaxia era una galaxia idéntica a la Vía láctea antes de que sufra una colisión frontal con una galaxia vecina. Cuando galaxia vecina atravesó la Galaxia Cartwheel, la fuerza de la colisión causó una onda de choque poderosa sobre la galaxia, como una piedra echada en las tranquilas aguas de un estanque. Desplazándose a gran velocidad, este onda de choque barrió el gas y el polvo, creando así un halo alrededor de la parte central de la galaxia quedada indemne. Esto explica la nube azul alrededor del centro, la parte más brillante.

Observando la imagen con su colalr de perlas azulado compuesto por brillantes y radiantes estrellas, nos hablan de una ingente producción de elementos complejos que, en el futuro, pasarán a formar parte de los mundos nuevos y, en ellos, con el tiempo, surgirá también la vida nueva de vaya usted a saber qué criaturas.

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                          Las imágenes más bellas que podamos imaginar, están en el Universo

El Universo es una maravilla, y, cualquier objeto que podamos mirar nos podrá llevar al más alto grado de éstaxis. A mí me pasó con la luna Titán que visto a contraluz por la nave Cassini en órbita alrededor de Saturno. La atmósfera dispersa la luz del Sol mostrando un anillo completo mientras se filtra por las capas más altas. En este pequeño mundo de ríos de metano y atmósfera imposible, se han puesto altas esperanzas de que, en un futuro, pudiera surgir allí la vida. Es similar a nuestra Tierra de hace algunos millones de años.

El cúmulo de galaxias MACS J0717 localizado a 5400 millones de años luz, en una imagen lograda combinando datos ópticos del Hubble y en rayos-x del Chandra, muestra a cuatro cúmulos colisionando. Si hemos podido llegar hasta aquí, una voz en nuestra mente pregunta: ¿Hasta dónde podremos llegar?

La galaxia NGC 55, fotografiada por el observatorio de La Silla utilizando el Wide Field Imager del telescopio de 2.2 metros MPG/ESO. ¿Cuántos mundos estarán ahí presentes? y, ¿tendrá alguno presencia de vida?

Arp 261, un par de galaxias localizadas a 70 millones de años luz, fotografiadas por el instrumento FORS2 del VLT en Cerro Paranal. La riqueza de la imagen nos puede llevar (mediante un estudio profundo) a saber lo mucho que en ella está presente, estrellas surgidas de inmensas nubes de gas interestelar, mundos nuevos llenos e promesas futuras y, otros, más viejos que, pudieran tener los vestigios de Civilizaciones perdidas.

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NGC 4194, la Galaxia Medusa, el resultado de la colisión entre dos galaxias, mostrada con datos ópticos del Telescopio Hubble y datos en rayos-x del Telescopio Chandra. La imagen nos habla de vestigios que están en el universo y nos cuentan dramáticas historias de galaxias que dejaron de existir para convertirse en otra nueva que, conteniendo materiales más compkejos que aquellas primarias, hacen posible el surgir de estrellas cuyos materiales son más sofisticados que el simple hidrógeno, y, de esas estrellas descendientes de algunas generaciones anteriores…qué materiales podrán salir?

Hemos podido admirar, la región de Rupes Tenuis fotografiada por la Mars Express de la ESA, mostrando gran cantidad de nieve sobre el polo marciano. Marte, el planeta hermano, nos tiene que dar muchas sorpresas y, a no tardar mucho (menos de 30 años), podremos por fín cobrar la apuesta del café que hice con algunos amigos sobre si había o no alguna clase de vida en aquel mundo.

Trio of Galaxies Mix It Up

El trío de galaxias Hickson 90, un grupo compacto localizado en la constelación de Piscis Austrinus a 100 millones de años luz del Sol. Fotografiado por el Telescopio Espacial Hubble. Viendo objetos como los de arriba, podríamos preguntarnos: ¿Cuándo dejará de sorprendernos el Universo? ¡Es tanta su riqueza!

Tycho's Supernova Remnant

La supernova de Tycho, localizada en Cassiopeia y mostrada en una imagen tomada en rayos-x por el telescopio Chandra y en luz infrarroja por el telescopio Spitzer. No por haberla visto muchas veces deja de sorprendernos, esa masa inmensa que, como remanante de los restos de una estrella masiva, nos muestra los filamentos de plasma que crean campos magnéticos a su alrededor sin importar el tiempo transcurrido desde el suceso. En dicha explosión se produjeron miles de toneladas de oro y platino que regaron el espacio interesrtelar para formar parte, más tarde, de algún mundo perdido.

La siempre fascinante Eta Carinae está escondida destrás de una de las nebulosas más grandes y brillantes del cielo en una imagen tomada desde La Silla utilizando el ESO/MPG de 2.2 metros. Aquí contemplamos parte de la Nebulosa, la estrella, una de las más grandes conocidas (unas 100 masas solares) parece que está a punto de explotar, y, sus consecuencias, podrían ser impredecibles.

M101

La galaxia espiral M 101, localizada a 22 millones de años luz, en una imagen compuesta por datos del telescopio Chandra, el telescopio Hubble y el telescopio Spitzer. La bella y enorme galaxia está cuajada de estrellas nuevas y otras que no lo son tanto. El conjunto parece una luminaria de feria, la radiación que se expande por toda la galaxia no parece que sea un lugar muy seguro. Prefiero nuestra Vía Láctea.

Unusual Spiral NGC 4921 in the Coma Galaxy Cluster

Atípica y extraña Galaxia. Una nueva imagen del Telescopio Espacial Hubble revela finos detalles de la galaxia espiral NGC 4921 y los objetos circundantes de fondo. La diversidad en el Universo es la norma y, por mucho que podamos pensar en objetos extraños que puedan existir, ahí estarán.

Una imagen que combina luz visible y rayos-x muestra la actividad del agujero negro supermasivo en la galaxia Centaurus A. Los Agujeros Negros que pueden contener miles y millones de masas solares, son tan peligrosos que, nada de lo que deambule por sus alrededores estará seguro. Se engulle toda la materia que caiga en su radio de acción, su fuerza de gravedad es descomunal y, por mucho que queramos correr, nos atrapará. Ya sabeis, ni la luz es capaz de burlar su fuerza de atracción.

NGC 604

¡Increíble región de formación estelar! NGC 604, una zona formación estelar en la galaxia M 33. Imagen capturada en alta resolución por el telescopio espacial de rayos-x Chandra. No podeis ni imaginar la enorme cantidad de estrellas jovenes y masivas que están ahí presentes, sus emisiones de radiación ultravioleta producen fuertes vientos solares que dibujan las formas de las nubes cirundantes formando arabescas figuras de gas ionizado por el ultravioleta que tiñe de azul toda la región.

La variedad está servida, el prolífico Universo nos suministra de toda clase de objetos activos que, mediante transiciones de fase, pasen a convertirse en otros objetos distintos de lo que en un principio fueron. Nada permanece, todo se transforma. Es es la regla de oro que impone un Universo dinámico creador de materia en el espaciotiempo infinito que nunca podremos dominar, y, si nos permite seguir en este maravilloso Sistema de Galaxias y mundos, podremos, en el futuro, conocer a nuestros hermanos inteligentes y, si las cosas salen como deberían salir, formaremos una Federación de mundos en la que, por fin, impere la igualdad para todos dentro de un clima de mutuo respeto y en el que, la sabiduría adquirida a través de muchas civilizaciones que fueron, nos habrá dado, ese algo del que ahora carecemos: Racionalidad y Temple, Sabiduría para poder discernir sobre lo que verdaderamente tiene valor y aquello que sólo es el falso brillo de la gloria y el poder que sólo puede traer destrucción y mal para muchos.

Esperemos que, observando el Universo y mirando dentro de nuestras Mentes, podamos llegar a comprender que, nuestro destino, no depende de nosotros pero sí, podremos mejorarlo si nuestro comportamiento contribuye a que sea mejor.

emilio silvera

El Tiempo transcurre inexorable

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En la tumba de David Hilbert (1862-1943), en el cementerio de Gotinga (Alemania), dice:

Debemos saberSabremos”.

Estoy totalmente de acuerdo con ello. El ser humano está dotado de un resorte interior, algo en su mente que llamamos curiosidad y que nos empuja (sin que en muchas ocasiones pensemos en el enorme esfuerzo y en el alto precio que pagamos) a buscar respuestas, a querer saber el por qué de las cosas, a saber por qué la naturaleza se comporta de una u otra manera y, sobre todo, siempre nos llamó la atención aquellos problemas que nos llevan a buscar nuestro origen en el origen mismo del universo y, como nuestra ambición de saber no tiene límites, antes de saber de dónde venimos, ya nos estamos preguntando hacia dónde vamos. Nuestra osadía no tiene barreras y, desde luego, nuestro pensamiento tampoco las tiene, gracias a lo cual, estamos en un estadio de conocimiento que a principios del siglo XXI, se podría calificar de bastante aceptable para dar el salto hacia objetivos más valiosos.

Es mucho lo que hemos avanzado en los últimos ciento cincuenta años.  El adelanto en todos los campos del saber es enorme. Las matemáticas, la física, la astronomía, la química, la biología genética, y otras muchas disciplinas científicas que, en el último siglo, han dado un cambio radical a nuestras vidas.

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El crecimiento es exponencial; cuanto más sabemos más rápidamente avanzamos. Compramos ordenadores, teléfonos móviles, telescopios y microscopios electrónicos y cualesquiera otros ingenios e instrumentos que, a los pocos meses, se han quedado anticuados, otros nuevos ingenios mucho más avanzados y más pequeños y con muchas más prestaciones vienen a destituirlos.

¿Hasta dónde podremos llegar?

Con el tiempo suficiente por delante… no tenemos límite. Todo lo que la mente humana pueda idear… podrá hacerlo realidad. A excepción, claro está, de las imposibilidades físicas que, en este momento, no tenemos la capacidad intelectual para enumerar. La verdad es que nuestra especie es inmortal. Sí, lo sé, a nivel individual morimos pero…, debemos tener un horizonte más amplio y evaluar una realidad más global y, sobre todo, a más largo plazo. Todos dejamos aquí nuestro granito de arena, lo que conseguimos no se pierde y nuestras antorchas son tomadas por aquellos que nos siguen para continuar el trabajo emprendido, ampliar los conocimientos, perfeccionar nuestros logros y pasar a la fase siguiente.

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Este es un punto de vista que nos hace inmortales e invencibles, nada podrá parar el avance de nuestra especie, a excepción de nuestra especie misma.

Ninguna duda podemos albergar sobre el hecho irrefutable de que venimos de las estrellas* y de que nuestro destino, también está en las estrellas.

La humanidad necesita más energía para continuar avanzando. Los recursos naturales fósiles, como el petróleo, el gas o el carbón, son cada vez más escasos y difíciles de conseguir. Se ha llegado a un punto en el que se deben conseguir otras energías.

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Dentro de unos treinta años estaremos en el camino correcto. La energía de fusión sería una realidad que estará en plena expansión de un comenzar floreciente. Sin residuos nocivos peligrosos como las radiaciones de la fisión nuclear, la fusión nos dará energía limpia y barata en base a una materia prima muy abundante en el planeta Tierra.

Nuestro Sol fusiona hidrogeno en helio a razón de 4.654.000 toneladas por segundo. De esta enorme cantidad de hidrógeno, 4.650.000 toneladas se convierten en helio. Las 4.000 toneladas restantes son lanzadas al espacio en forma de luz y calor, energía termonuclear de la que, una parte, llega al planeta Tierra y hace posible la vida.

Resulta pues que el combustible nuclear de las estrellas es el hidrógeno que mediante su fusión hace posible que genere tal enormidad de energía.  Así lleva el Sol unos 4.500 millones de años y se espera que al menos durante un período similar nos esté regalando su luz y su calor.

Diferencias entre Ma...

Pero ¿tenemos hidrógeno en el planeta Tierra para tal empresa de fusión nuclear?

La verdad es que sí. La fuente de suministro de hidrógeno con la que podemos contar es prácticamente inagotable…

¡El agua de los mares y de los océanos!

Todos sabemos que el hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Está presente en el agua y en todos los compuestos orgánicos.  Químicamente, el hidrógeno reacciona con la mayoría de los elementos.  Fue descubierto por Henry Cavendisch en 1.776. El hidrógeno se utiliza en muchos procesos industriales, como la reducción de óxidos minerales, el refinado del petróleo, la producción de hidrocarburos a partir de carbón y la hidrogenación de los aceites vegetales y, actualmente, es un candidato muy firme para su uso potencial en la economía de los combustibles de hidrógeno en la que se usan fuentes primarias distintas a las energías derivadas de combustibles fósiles (por ejemplo, energía nuclear, solar o geotérmica) para producir electricidad, que se emplea en la electrólisis del agua. El hidrógeno formado se almacena como hidrógeno líquido o como hidruros de metal.

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Bueno, tantas explicaciones sólo tienen como objeto hacer notar la enorme importancia del hidrógeno. Es la materia prima del universo, sin él no habría estrellas, no existiría el agua y, lógicamente, tampoco nosotros podríamos estar aquí sin ese preciado elemento.

Cuando dos moléculas de hidrógeno se junta con una de oxígeno (H2O), tenemos el preciado líquido que llamamos agua y sin el cual la vida no sería posible.

Así las cosas, parece lógico pensar que conforme a todo lo antes dicho, los seres humanos deberán fijarse en los procesos naturales (en este caso el Sol y su producción de energía) y, teniendo como tiene a su disposición la materia prima (el hidrógeno de los océanos), procurar investigar y construir las máquinas que sean necesarias para conseguir la fusión, la energía del Sol.

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Esa empresa está ya en marcha y, como he dicho al principio de este comentario, posiblemente en unos treinta años sería una realidad que nos dará nuevas perspectivas para continuar el imparable avance en el que estamos inmersos.

Pero no me gustaría cerrar este comentario sobre la fusión sin contestar a una importante pregunta…

¿Y por qué la fusión?

Porque tiene una serie de ventajas muy significativas en seguridad, funcionamiento, medio ambiente, facilidad en conseguir su materia prima, ausencia de residuos peligrosos, posibilidad de reciclar los escasos residuos que genere, etc.

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Esquema de un reactor nuclear de fusión tipo tokamak, como ITER

  • Los recursos combustibles básicos (deuterio y litio) para la fusión son abundantes y fáciles de obtener.
  • Los residuos son de helio, no radiactivos.
  • El combustible intermedio, tritio, se produce del litio.
  • Las centrales eléctricas de fusión no estarán expuestas a peligrosos accidentes como las centrales nucleares de fisión.
  • Con una elección adecuada de los materiales para el propio dispositivo de fusión, sus residuos no serán ninguna carga para las generaciones futuras.
  • La fuente de energía de fusión es sostenible, inagotable e independiente de las condiciones climáticas.

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Para producir la energía de fusión sólo tenemos que copiar lo que hace el Sol. Tenemos que hacer chocar átomos ligeros de hidrógeno para que se fusionen entre sí a una temperatura de 15 millones de grados Celsius, lo que, en condiciones de altas presiones (como ocurre en el núcleo del Sol) produce enormes energías según la formula E = mc2 que nos legó Einstein demostrando la igualdad de la masa y la energía.

Ese estado de la materia que se consigue a tan altas temperaturas, es el plasma, y sólo en ese estado se puede conseguir la fusión.

Aunque en Europa la aventura ya ha comenzado, y para ello se han unido los esfuerzos económicos de varias naciones, la empresa de dominar la fusión no es nada fácil, pero…, démosle…

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Siempre será la Naturaleza la que nos indique el camino a seguir. En las estrellas se “fabrican” los elementos mediante la fusión nuclear, los elementos sencillos se han cada vez más complejos a medida que avanza el proceso y, finalmente, son las explosiones supernovas las que nos traen los elementos más complejos como el Uranio, el nº 92 de la Tabla Periódica.

¡TIEMPO!

Sí, es el tiempo el factor que juega a nuestro favor para conseguir nuestros logros más difíciles, para poder responder preguntas de las que hoy no tenemos respuesta, y es precisamente la sabiduría que adquirimos con el paso del tiempo la que nos posibilita para hacer nuevas preguntas, más profundas que las anteriores y que antes, por ignorancia, no podíamos plantear.  Cada nuevo conocimiento nos abre una puerta que nos invita a entrar en una nueva región donde encontramos otras puertas cerradas que tendremos que abrir para continuar nuestro camino. Sin embargo, hasta ahora, con el “tiempo” suficiente para ello, hemos podido franquearlas hasta llegar al momento presente en el que estamos ante puertas cerradas con letreros en los que se puede leer: fusión, teoría M, viajes espaciales tripulados, nuevas formas de materia, el gravitón, la “materia oscura”, las ondas de energía de los agujeros negros (ya encontradas), hiperespacio, otros universos, ¿otras dimensiones?

Resultado de imagen de La Humanidad se encuentra ante muchas puertas cerradas que debe abrir para seguri adelante

       Siempre estaremos delante de puertas cerradas

Todas esas puertas y muchas más nos quedan por abrir. Además, tenemos ante nuestras narices puertas cerradas que llevan puesto el nombre de: genética, nanotecnología, nuevos fármacos, alargamiento de la vida media, y  muchas más en otras ramas de la ciencia y del saber humano.

Aunque es mucho lo que se ha especulado sobre el tema, en realidad, el tiempo sólo transcurre (que sepamos) en una dirección, hacia delante. Nunca ha ocurrido que unos hechos, que unos sucesos, se pudieran borrar, ya que para ello habría que volver en el tiempo anterior al suceso para evitar que sucedieran. Está claro que en nuestro universo, el tiempo sólo transcurre hacia lo que llamamos futuro.

Imagen relacionadaResultado de imagen de La rotación de la Tierra disminuye por las fuerzas de mareas

Siempre encontramos las huellas del paso del tiempo, aparecen sutiles efectos que delata el sentido del paso del tiempo, aunque es algo que no se puede ver ni tocar, su paso se deja sentir, lo nuevo lo va convirtiendo en viejo, con su transcurrir, las cosas cambian. La misma Tierra, debido a las fuerzas de marea, con el paso del tiempo va disminuyendo muy lentamente su rotación alrededor de su eje (el día se alarga) y la distancia media entre la Tierra y la Luna crece. El movimiento de un péndulo, con el tiempo disminuye lentamente en su amplitud por las fuerzas de rozamiento. Siempre está presente ese fino efecto delator del sentido del paso del tiempo que va creando entropía destructora de los sistemas que ven desaparecer su energía y cómo el caos lo invade todo.

Nos podríamos hacer tantas preguntas sobre las múltiples vertientes en que se ramifica el tiempo que, seguramente, este libro sería insuficiente para poder contestarlas todas (de muchas no sabríamos la respuesta).

Resultado de imagen de El Tiempo rige nuestras vidasResultado de imagen de La misma persona con 25 y 60 años

                                       El Tiempo pasa, o, ¿En realidad pasamos nosotros?

  • ¿Por qué consideramos que el tiempo rige nuestras vidas?
  • ¿Cómo explicarías “qué es el tiempo”?
  • ¿Por qué unas veces te parece que el tiempo “pasa rápido” y otras veces “muy lento”?
  • ¿Crees que el tiempo estaba antes del Big Bang? ¿Por qué?
  • ¿En algún momento se acabará el tiempo?
  • ¿Cómo el ser humano “fue consciente” de la existencia del tiempo?
  • ¿Qué cosa es el tiempo? ¿No será una abstracción de la Mente?
  • ¿Por qué no lo vemos ni tocamos pero notamos sus efectos?
  • ¿Por qué la velocidad relativista puede ralentizar el transcurrir del tiempo?
  • ¿Qué hace posible que viajando a grandes velocidades el tiempo se ralentice y aumenten las masas?

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En realidad, si nos detenemos a pensar detenidamente y en profundidad en el entorno en que nos encontramos, una colonia de seres insignificantes, pobladores de un insignificante planeta, de un sistema solar dependiente de una estrella mediana, amarilla, del tipo G-2 V, nada especial y situada en un extremo de un brazo espiral de la Galaxia, en la periferia galáctica. es decir, de una de entre miles de millones de galaxias… si pensamos en esa inmensidad, entonces caeremos en la cuenta de que no somos tan importantes, y el tiempo que se nos permite estar aquí es un auténtico regalo. Ese tiempo, corto en relación al tiempo que fue y que será, es por cierto un espacio suficiente para nacer, crecer, aprender, dejar huella de nuestro paso por este mundo a través de nuestros hijos y a veces (si somos elegidos) por nuestro trabajo, nuestras ideas, nuestra obra en fin, tendremos la oportunidad (casi siempre breve) de ser felices y muchas oportunidades para el sacrificio y el sufrimiento, y así irán pasando nuestras vidas para dejar paso a otras que, al igual que nosotros, continuaran el camino iniciado en aquellas cuevas remotas del pasado, cuando huyendo del frío y de los animales salvajes, nos refugiábamos en las montañas buscando cobijo y calor.

            El 97% del material del que estamos constituidos se fraguó en las estrellas


* El material de que estamos hechos se formó hace miles de millones de años en estrellas lejanas que explotaron en supernovas y dejaron el espacio regado de la materia que ahora nos constituye.

** El final del Sol, dentro de 4.000 millones de años, nos obligará a que antes tengamos que emigrar a otros mundos lejanos.

emilio silvera

Siempre nos gustó imaginar lo que podría ser

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Es cierto que a veces, estoy trabajando en la oficina y me llegan ideas a la Mente que, por un momento, me hacen dejar la tarea que esté realizando en ese momento y quedar abstraido en esos pensamientos.

 

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¿Cómo serán las criaturas que habiten otros mundos?

 

Sabiendo que el Universo, en todas sus regiones, por muy alejadas que estén, se rigen por las mismas leyes fundamentales y por las mismas constantes, creo que la vida, como en la Tierra, también estará basada en el Carbono, y, múltiples especies poblaran otros mundos en función de sus distintos ecosistemas.

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Las estrellas en todas las galaxias se comportan de la misma manera y crean elementos complejos a partir de otros más simples, y, esa es la dinámica que la Naturaleza sigue en otros campos, como el de la Vida. Una estrella finaliza su etapa en la secuencia principalk cuando agota su combustible nuclear de fusión y, la vida, llega a su final cuando le llega el Tiempo que para ella estipuló el Universo.

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El Universo, para cada cosa tiene un determinado comportamiento marcado, y, ese comportamiento, hace posible que las cosas sean tan como las podemos observar. El Sol sale y aparece el día y se pone para que lleegue la noche. Todo tiene su razón de ser, y, en el mundo infinitesimal de lo muy pequeño, para que existan los átomos los Quarks se tienen que juntar en triplites y formar hadrones que serán los nucleones. Allí, confinados en el núcleo, son sometidos a la fuerza nuclear fuerte que nunca los dejará salir, están condenados a esa prisión nuclear para que pueda exisit la materia.

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Nature publica una recreación del experimento E 122 de hace 35 años. “Los Quarks se mueven al otro lado del espejo”.

“La simetría CP se basa en la composición de la simetría C y la simetría P. La simetría C o simetría de carga afirma que las leyes de la Física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. … La simetría CP es el producto de ambas.”

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El ejercicio de imaginar cómo podrían ser otros mundos y que criaturas pudieran albergar, no pocas veces desata mi imaginación, y, pienso que mentalidad tendrán esos seres, si se asemejarán en algo a nosotros, y, si algún día podremos entablar con ellos un contacto que nos pueda llevar a un entendimiento positivo para ambas partes.

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Sabemos de la evolución, del mundo cambiante, de que nada permanece. Todo en nuestro Universo tiene un principio y un final, y, siendo así (que lo es) nos podemos preguntar: ¿Mereció la pena nuestra estancia en éste UNiverso? ¿Que propósito final habría tenido nuestra presencia? Si como las estrellas aparecimos, vivimos y morimos. ¿Perdurarán nuestros hechos, o, por el contrario  (como todo lo demás) con el paso del Tiempo se hundirá en el olvido.

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Nuestra curiosidad nos lleva a tener que desvelar secretos, aprender de la Naturaleza y, cada día, tener un dato más de cómo son las cosas. Sin embargo, no tenemos Tiempo, siempre habrá preguntas que nadie podrá contestar. Por cada nuevo descubrimiento, por cada nueva saber, entramos en posesión de poder hacer nuevas preguntas que antes, sin ese conocimiento no podíamos. Por ejemplo: ¿Cómo poder preguntar si habrá vida en los océanos de Europa hace 200 años?

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Lo cierto es que nos enfrentamos a una inmensidad que no siempre podemos comprender, que hemos llegado a saber que… ¡No sabemos! Que somos una parte ínfima de un todo mayor al que pertenecemos y del que formamos parte, y, que siendo tan “pequeños” incluso, algún día, podríamos tener la posibilidad de cambiar las cosas.

emilio silvera