miércoles, 11 de diciembre del 2019 Fecha
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¡La Física! Que nunca duerme

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Noticias    ~    Comentarios Comments (3)

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El Boletín periódico que recibo desde la RSEF, en su número de diciembre 2012, en el apartado Noticias comunica:

“Ruptura de simetría en el tiempo en las leyes de la Física Una investigación liderada por el Instituto de Física Corpuscular, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia, ha obtenido evidencias de la ruptura de la simetría en el tiempo en las leyes de la Física. El hallazgo, que se publica en la revista Physical Review Letters, ha contado con el apoyo de la colaboración internacional BaBar del laboratorio SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) del Departamento de Energía de Estados Unidos en la Universidad de Stanford (California).

En experimentos previos con partículas conocidas como mesones K y B, se observó que no se cumplía la simetría CP. El teorema CPT indica que, para cualquier sistema de partículas, las simetrías deben mantenerse equilibradas, es decir, si la simetría CP no se cumple, la simetría T tampoco. El investigador Fernando Martínez Vidal añade que “la clave para medir directamente la ruptura de la simetría T nos la dio el experimento BaBar del SLAC, que fue diseñado para el estudio en profundidad de la asimetría entre materia y antimateria”.

“Cualquier indicio de ruptura de la simetría CPT requeriría un serio replanteamiento de nuestro entendimiento de la Naturaleza”

Eso es lo que han dicho reputados físicos reconocidos mundialmente, y, si eso es así (que lo es), parece que estamos entrando en una nueva era del conocimiento.

emilio silvera

 

¡La Física! ¿Quién tendrá la llave?

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

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Gordon Kane (en 2003), un físico teórico de la Universidad de Michigan, decía:

“… el Modelo Estándar es, en la historia, la más sofisticada teoría matemática sobre la naturaleza. A pesar de la palabra “modelo” en su nombre, el Modelo Estándar es una teoría comprensiva que identifica las partículas básicas y especifica cómo interactúan. Todo lo que pasa en nuestro mundo (excepto los efectos de la gravedad) es resultado de las partículas del Modelo Estándar interactuando de acuerdo con sus reglas y ecuaciones”.

De acuerdo con el Modelo Estándar, leptones y quarks son partículas verdaderamente elementales, en el sentido de que no poseen estructura interna. Las partículas que tienen estructura interna se llaman hadrones; están constituidas por quarks: bariones cuando están formadas por tres quarks o tres antiquarks, o mesones cuando están constituidas por un quark y un antiquark.

uevos datos del experimento BaBar, una colaboración internacional que tiene su sede en California, Estados Unidos, fueron analizados recientemente y los resultados obtenidos parecen indicar que existen posibles fallos en el Modelo Estándar de la Física de Partículas, teoría que hasta el momento es la que explica mejor cómo funciona el universo a escalas subatómicas.

Claro que, ya estamos acostumbrados a que el imparable avance del conocimiento de la física, a medida que se van descubriendo nuevas tecnologías, también nos posibilite para poder avanzar más y más profundamente en los modelos y teorías que manejamos y, lo que podemos ir viendo en los nuevos descubrimientos nos ayudan a mejorar los modelos y teorías actuales para ir adaptando la física a la realidad que la Naturaleza nos muestra.

Sin embargo, y a pesar de ello, lo cierto es que, el llamado Modelo Estándar (en lineas generales) nos ha servido bien como una teoría coherente y de extraordinario éxito en relación a las interacciones que operan en el Universo. De hecho, el Modelo Estándar incorpora las teorías relativistas y cuánticas de interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles (dejando fuera la Gravedad) que ha superado todas las pruebas con la evidencia experimental, desde las energías más pequeñas hasta los millones de millones de electrón-voltios que se han alcanzado en los Laboratorios del Fermilab en Illinois; desde la precisión de las medidas de masas de estados ligados o de momentos magnéticos, a baja energía, hasta las fabulosas del acelerador LEP en el CERN y ahora del LHC los dos en Ginebra.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Modelo_Estandar.png?uselang=es

 

 

Un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, se muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes. Entrar en este “universo” de lo muy pequeño resulta verdaderamente fascinante. Ahí podemos ver cosas que, en la vida cotidiana están ausentes y, nos puede parecer habernos transportado a otro mundo donde las cosas funcionan de otra manera.

Según el Modelo Estándar, la gran cantidad de partículas elementales hasta hoy detectadas, cerca de 300, en aceleradores/colisionadores de partículas o en rayos cósmicos, puede ser agrupada en leptones, quarks y hadrones o en leptones y hadrones, ya que los quarks son constituyentes de los hadrones o, también, en leptones, bariones y mesones, pues los hadrones pueden ser divididos en bariones y mesones.

Las interacciones fundamentales tienen lugar como si las partículas que interactúan “intercambiasen” otras partículas entre sí. Esas partículas mediadoras serían los fotones en la interacción electromagnética, los gluones en la interacción fuerte, las partículas W y Z en la interacción débil y los gravitones (aún no detectados) en la interacción gravitacional. Es decir, partículas eléctricamente cargadas interactuarían intercambiando fotones, partículas con carga color interactuarían intercambiando gluones, partículas con carga débil intercambiarían partículas W y Z, mientras que partículas con masa intercambiarían gravitones.

 

 

 

Las partículas mediadoras pueden no tener masa, pero tienen energía, o sea, son pulsos de energía. Por eso, se llaman virtuales. De los cuatro tipos de partículas mediadoras, las del tipo W y Z tienen masa, pero es común que todas sean llamadas partículas virtuales.

Entonces, se podría decir que las partículas de materia o partículas reales (leptones, quarks y hadrones) interactúan intercambiando partículas virtuales (fotones, gluones, W y Z, y gravitones). Aquí hay que tener en cuenta que las partículas de materia pueden tener más de una carga, de modo que experimentarían varias interacciones y fuerzas, pero el ámbito de la interacción puede variar mucho, de tal manera que en un determinado dominio una cierta interacción puede ser irrelevante. La fuerza gravitacional, por ejemplo, puede ser despreciada en el dominio subatómico. Es decir, aunque existan cuatro interacciones fundamentales, cuatro cargas y cuatro fuerzas, eso no quiere decir que todas las partículas tengan las cuatro cargas y experimenten las cuatro interacciones. a Gravedad en este ámbito, es tan pequeña que, pasa desapercibida para nuestros actuales instrumentos. Y, mientras tanto, seguimos sin saber muchas cosas y formulamos preguntas como: ¿Por qué hay algo en vez de nada? ¿Por qué hay tantas partículas elementales diferentes?

La naturaleza de las leyes de simetría se encuentran en el corazón de este asunto. O más bien, la ruptura de las simetrías, tanto las que parecen haber existido en nuestro universo desde el principio como aquellas que han perdido su simetría original en alguna parte del camino.

La Naturaleza nos enseña continuamente la simetría pero… ¡Hay que fijarse en las simetrías rotas para saber

De hecho, todos somos hijos de la simetría rota. Ello debió ocurrir inmediatamente después del Big Bang, hace unos 14.000 millones de años cuando fueron creadas la materia y la antimateria. El contacto de materia y antimateria es fatal para ambas, se aniquilan mutuamente y se transforman en radiación. Es evidente que la materia, al final, ganó la partida a la antimateria, de otra manera nosotros no estaríamos aquí. Pero estamos, y una pequeña desviación de la simetría perfecta parece que ha sido suficiente –un exceso de una partícula de materia por cada diez mil millones de partículas de antimateria fueron suficientes para hacer que nuestro mundo exista-. Este exceso de la materia fue la semilla de nuestro universo, lleno de galaxias, estrellas y planetas y, eventualmente, de vida. Pero lo que hay detrás de esta violación de la simetría en el cosmos es aún un gran misterio y un activo campo de investigación.

La teoría de las partículas elementales considera tres formas básicas de simetría: simetría especular, simetría de carga y simetría temporal (en el lenguaje de la física la simetría especular es denominada P, de paridad; la simetría de carga, C y la simetría temporal,T).

En la simetría especular todos los sucesos ocurren exactamente igual si son observados directamente o reflejados en un espejo. Ello implica que no existe ninguna diferencia entre izquierda y derecha y nadie sería capaz de distinguir su propio mundo de otro reflejado en un espejo. La simetría de carga predice que las partículas cargadas se comportarán exactamente igual que sus antipartículas, las cuales tiene exactamente las mismas propiedades pero carga opuesta. Y de acuerdo con la simetría temporal, las cosas sucederían exactamente igual con independencia de que el tiempo transcurra hacia delante o hacia atrás.

El Modelo Estandar es una síntesis de todas las ideas que la física de partículas ha generado durante más de un siglo. Se asienta sobre la base teórica de los principios de simetría de la física cuántica y la teoría de la relatividad y ha resistido a innumerables pruebas. No obstante, varias crisis se sucedieron poniendo en peligro el bien construido edificio del modelo. Estas crisis tuvieron lugar porque los físicos asumían que las leyes de la simetría eran aplicables al micromundo de las partículas elementales. Pero esto no era totalmente  cierto.

La primera sorpresa surgió en 1956 cuando dos físicos teóricos chino-americanos, Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang (galardonados con el Premio Nobel al año siguiente, en 1967) comprobaron que la simetría especular (simetría P) era violada por la fuerza  débil.

Una nueva violación de las leyes de la simetría tenía lugar en la desintegración de una extraña partícula llamada kaón (Premio Nobel concedido a James Cronin y Val Fitch en 1980). Una pequeña fracción de los kaones no seguían las leyes de la simetría especular y de carga; se rompía la simetría CP y se desafiaba la estructura misma de la teoría.

Uno de los más destacados físicos experimentadores del CERN, que trabaja con el LHC en busca de las respuestas a las muchas preguntas planteadas que no han sido aún contestadas por ningún científico en el ámbito de la física, impotente ante tanta ignorancia y llevado de su desesperación dijo:

“Un nuevo experimento desarrollado en el LHCb del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra ha puesto uno de los límites más restrictivos del Modelo Estándar de la Física de Partículas, una teoría ampliamente contrastada que da cuenta solamente del 4% del Universo visible. Se necesita una nueva física para explicar el 90% restante y los últimos resultados de LHCb, que restringen la tasa de desintegración de los mesones Bs, señala la nueva física que podemos esperar.”

Como muchos otros modelos que los científicos han creado para expresar éste o aquél apartado de la Naturaleza, también en la física del partículas y de las interacciones fundamentales se ha creado el Modelo estándar que, no podemos negarlo, ha sido y sigue siendo una extraordinaria herramienta para los físicos pero, está incompleto al no incluir la fuerza de Gravedad y, además, es feo y tiene en su construcción, algunos parámetros, que no podemos explicar. Sobre todo, choca que cuando tratamos de unir  el el mundo de la “pequeño” con el mundo de lo “grande”, es decir, la Mecánica cuántica con la Relatividad General… ¡Todo se tambalea, los resultados son incomprensibles y, por todas partes, surgen infinitos indeseables que hacen de todo aquello un gran Caos! No podemos poner juntos, los cuántos con la gravedad. Planck y Einstein eran amigos pero, sus inventos, no se llevan nada bien.

Y, además, el Modelo Estándar es feo y complicado:

File:Quarks.gif

  1. 36 quarks, que se presentan en 6 “sabores” y 3 “colores” y sus réplicas en antimateria para describir las interacciones fuertes.
  2. 8 campos de Yang-Mills para describir los gluones, que ligan los quarks.
  3. 4 campos de Yang-Mills para describir las fuerzas débiles y electromagnéticas.
  4. 6 tipos de leptones para describir las interacciones débiles.
  5. Un gran número de misteriosas partículas de “Higgs” necesarias para ajustar las masas y las constantes que describen a las partículas.
  6. Al menos 19 constantes arbitrarias que describen las masas de las partículas y las intensidades de las diversas interacciones.  Estas diecinueve constantes deben ser introducidas a la fuerza; no están determinadas en modo alguno por la teoría (actualmente, las 19 han sido elevadas a 26).

 

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

Así las cosas, está claro que hay que buscar otro modelo.

La fealdad del Modelo Estándar puede contrastarse con la simplicidad de las ecuaciones de Einstein, en las que todo se deducía de primeros principios. Para comprender el contraste estético entre el Modelo Estándar y la teoría de la relatividad general de Einstein debemos comprender que, cuando los físicos hablan de “belleza” en sus teorías, realmente quieren decir que estas “bellas” teorías deben poseer al menos dos características esenciales:

  1. Una simetría unificadora.
  2. La capacidad de explicar grandes cantidades de datos experimentales con las expresiones matemáticas más económicas y, si atendemos la fórmula de Einstein E = mc2 , decir más con menos, parece imposible.

El Modelo Estándar falla en ambos aspectos, mientras que la relatividad general los exhibe, ambos, de manera bien patente. Nunca una teoría dijo tanto con tan poco; su sencillez es asombrosa y su profundidad increíble.  De hecho, desde que se publicó en 1.915, no ha dejado de dar frutos, y aún no se han desvelado todos los mensajes que contiene. De hecho, es curioso como éstas ecuaciones emergen desde la teoría de cuerdas en la qu esubyacen sus postulados.

Esa simple ecuación de arriba, formulada por Einstein en su relatividad general, refleja uno de los más profundos pensamientods de la mente Humana desde que el hombre descubrió el mundo físico de las cosas y las fuerzas que con la materia interaccionaba. De hecho, a partir de esa ecuación, se podría decir que nació la ciencia cosmológica antes dispersa.

Al contrario de la relatividad general, la simetría del Modelo Estándar, está realmente formada empalmando tres simetrías más pequeñas, una por cada una de las fuerzas; el modelo es espeso e incómodo en su forma. Ciertamente no es económica en modo alguno. Por ejemplo, las ecuaciones de Einstein, escritas en su totalidad, sólo ocupan unos centímetros y ni siquiera llenaría una línea de esta página. A partir de esta escasa línea de ecuaciones, podemos ir más allá de las leyes de Newton y derivar la distorsión del espacio, el Big Bang y otros fenómenos astronómicos importantes como los agujeros negros. Por el contrario, sólo escribir el Modelo Estándar en su totalidad requeriría, siendo escueto, un par de páginas de esta libreta y parecería un galimatías de símbolos complejos sólo entendibles por expertos.

Los científicos quieren creer que la naturaleza prefiere la economía en sus creaciones y que siempre parece evitar redundancias innecesarias al crear estructuras físicas, biológicas y químicas. El matemático francés Henri Poincaré lo expresó de forma aún más franca cuando escribió: “El científico no estudia la Naturaleza porque es útil; la estudia porque disfruta con ello, y disfruta con ello porque es bella”.

                         Rutherford

E. Rutherford, quien descubrió el núcleo del átomo (entre otras muchas cosas), dijo una vez: “Toda ciencia es o física o coleccionar sello”.  Se refería a la enorme importancia que tiene la física para la ciencia, aunque se le olvidó mencionar que la física está sostenida por las matemáticas que la explica.

Pero, a pesar de todos sus inconvenientes, el Modelo Estándar, desde su implantación, ha cosechado un éxito tras otro, con sus inconvenientes y sus diecinueve parámetros aleatorios, lo cierto es que es lo mejor que tenemos por el momento para explicar las familias de partículas que conforman la materia y cómo actúan las fuerzas de la naturaleza, todas las fuerzas menos la gravedad; esa nos la explica a la perfección y sin fisuras las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

      Llegan nuevas creencias que tienen origen en el pasado cercano

Hace tiempo que los físicos tratan de mejorar el Modelo Estándar con otras teorías más avanzadas y modernas que puedan explicar la materia y el espacio-tiempo con mayor amplitud y, sobre todo, incluyendo la gravedad.  Así que retomando la teoría de Kaluza de la quinta dimensión, se propuso la teoría de supergravedad en 1.976 por los físicos Daniel Freedman, Sergio Ferrara y Peter van Nieuwenhuizen, de la Universidad del Estado de Nueva York en Stoney Brook que desarrollaron esta nueva teoría en un espacio de once dimensiones.

Después de mucho trabajo, mucho tiempo y mucho presupuesto, por fín, llegó el LHC que, cuando comience sus experimentos nos dirá como mejorar el Modelo estándar actual y, seguramente, alguna cosa más. De momento han hecho en buen trabajo en busca del Bosón de Higgs, uno de esos parámetros aleatorios incluidos en el modelo y que, según parece, puede haber sido hallado aunque… mejor dejarlo hasta confirmarlo de manera más fehaciente.

Claro que las cosas no son tan fáciles y a pesar del largo camino recorrido, de los muchos instrumentos ideados por el hombre para desvelar los secretos que la Naturaleza esconde, a pesar del LHC y de los que detrás de él vendrán, a pesar de todo eso, al final del camino lo que predominará será la imaginación de nuestras mentes que llegarán a comprender el por qué de las cosas, de la materia y las fuerzas que con ella interaccionan haciendo de nuestro universo el que podemos contemplar.

 

Como ya se ha explicado el Modelo Estándar comprende todas las partículas elementales conocidas y tres de las cuatro fuerzas fundamentales. Pero, ¿por qué son estas fuerzas tan diferentes?. ¿Y por qué las partículas tienen masas tan diferentes?. La más pesada, el quark top, es más de tres mil cien veces más pesado que el electrón. ¿Por qué tienen todas masa? La fuerza débil destaca en este aspecto una vez más: sus portadores, las partículas Z y W son muy pesadas, mientras que el fotón, que transmite la fuerza electromagnética, carece de masa.

La mayoría de los físicos piensa que el llamado mecanismo de Higgs es el responsable de que la simetría original entre fuerzas fuera destruido dando a las partículas sus masas en las primeras etapas del universo. Una especie de océano de una sustancia invisible tenía que permear todo el espacio por el que se “paseaban” las partículas que, al “arrastrarse” por ese medio, se veían frenadas y, dicha sustancia se quedaba adherida a ellas dándoles masa. Es lo que nuestro visitante, Ramón Márquez, llama el “efecto frenado”.

Pero, ¿qué violó la simetría primera? El camino hacia ese descubrimiento fue trazado por Yoichiro Nambu quien, en 1960, fue el primero en introducir la violación espontánea de la simetría en la física de partículas. Es por este descubrimiento por el que se le concede el Premio Nobel de Física.

Tenemos algunos ejemplos banales de violación espontánea de la simetría en la vida diaria. Un lápiz en equilibrio sobre su punta lleva una existencia totalmente simétrica en la cual todas las direcciones son equivalentes. Pero esta simetría se pierde cuando cae -ahora sólo una dirección cuenta-. Por otro lado su condición es ahora más estable, el lápiz no puede volver a caer, ha llegado a su nivel más bajo de energía.

 

El vacío tiene el nivel de energía más bajo posible en el cosmos. En efecto, un vacío en física es precisamente un estado con la menor energía posible. Sin embargo, no está totalmente vacío. Desde la llegada de la física cuántica, el vacío está lleno de una burbujeante sopa de partículas que aparecen e inmediatamente desaparecen en invisibles y ubicuos campos cuánticos. Estamos rodeados por campos cuánticos que se extienden por el espacio; las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza también son descritas como campos. Uno de ellos, el gravitacional, es conocido por todos nosotros. Es el que nos mantiene pegados a la tierra y determina la dirección arriba-abajo.

Nambu indicó que las propiedades del vacío son de gran interés para el estudio de la rotura espontánea de la simetría. Un vacío, que es el estado más bajo de energía, no se corresponde con el estado de mayor simetría. Tan pronto como el lápiz se cae, la simetría del campo cuántico queda rota y sólo una de las muchas direcciones posibles es elegida. En las últimas décadas los métodos de Nambus para tratar la violación de la simetría espontánea en el Modelo Estandar han sido refinados y son frecuentemente usados hoy para calcular los efectos de la fuerza fuerte.

Hablar de todo esto nos lleva hacia caminos amplios y de un largo recorrido.

¡Pero faltan los campos! Los cuatro campos. Sabemos que un cuerpo con masa crea alrededor de sí un campo gravitacional, un campo de fuerza que ejerce una fuerza sobre otro cuerpo masivo y viceversa. Análogamente, un cuerpo cargado eléctricamente, crea un campo electromagnético (si está en reposo, se percibe sólo su componente eléctrico, si está en movimiento se manifiesta también el componente magnético) y ejerce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo electrizado y viceversa.

De la misma manera, está el campo de la fuerza fuerte y el campo de la fuerza débil. O sea, hay cuatro campos fundamentales: el electromagnético, el fuerte, el débil y el gravitacional. Las  partículas mediadoras son los quantos de los campos correspondientes: los fotones son los quantos del campo electromagnético, los gluones son los quantos del campo fuerte, las partículas W y Z del campo débil y los gravitones serían los quantos del campo gravitatorio.

En otras palabras, los cuatro campos fundamentales son el campo de fotones (electromagnético), el de gluones (fuerte), el de partículas W y Z (débil) y el de gravitones (gravitacional). El problema en esa bella simetría de cuatro cargas, cuatro interacciones, cuatro fuerzas, cuatro tipos de partículas mediadoras y cuatro campos es que aún no fue detectado ningún gravitón y la gravedad, en sí, no encaja bien en esa teoría llamada Modelo Estándar y, por eso precisamente, se dice que es incompleto y que necesitamosm una teoría cuántica de la Gravedad. En ese aspecto, yo, no las tengo todas conmigo, dado que la fuerza de Gravedad parece una teoría aparte y no quiere mezclarse con las otras. Sin embargo, dicen los de la teoría de cuerdas que allí, sí encajan las cuatro fuerzas.

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Mucho, muchísimo nos queda por explicar en relación al Modelo estándar y a todo lo que en él está unido. Sin embargo, en física se avanza poco a poco, vamos conociendo cositas que unidas a otras cositas finalmente forman un todo en el que podemos contemplar una perspectiva más amplia y general y, a veces, hasta puede llegar a enseñarnos la belleza que encierram esos cuadros que pinta la Naturaleza y que nosotros, osados, tratamos de descubrir.

emilio silvera

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Sí, el Universo tiene memoria

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo cambiante    ~    Comentarios Comments (2)

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Podríamos hablar del viaje de la luz, desde que surgió a partir del Big Bang (si fue ese el comienzo de todo), y suponiendo que ya tengamos los aparatos tecnológicos precisos para poder leer, los mensajes que la misma luz lleva escritos de lo que allí, en aquellos comienzos, pudo pasar. La Luz que es emitida por los cuerpos celestes y que nos trae su memoria que están recogidas en el interior de las partículas elementales que son las que dan forma a todos los objetos grandes constituídas en moléculas. Es realmente un canto a la Luz, a su compleja estructura que no hemos llegado a comprender. La luz nos trae mensajes y recuerdos de los orígines en remanentes de estrellas supermasivas que dieron lugar a la creación de otras estrellas y sistemas planetarios y, ¿quién sabe? si también formas de vida.

Lo cierto es que, el Universo, como un todo, nos presenta y manifiesta correlacions bien afinadas que desafían cualquier explicación de sentido común y, desde luego, no es que nuestro sentido común no sea el más común de los sentidos, se trata simplemente de que, no llega a captar la esencia verdadera de lo que el Universo nos quiere transmitir.

Decir Universo es decdirlo todo,

Inmensas galaxias cuajada de soles,

Donde orbitan los mundos,

Donde, de la vida, surgen los crisoles.

Todo es fuerza y energía,

Inmersas en un espacio-tiempo,

Transiciones de fase que guían,

Grandes acontecimientos.

La Memoria del Universo,

La Huella que deja el Tiempo,

Quedan gravados los sucesos,

Que descubre el conocimiento.

Sí, el Universo es mucho más que simples estrellas o las galaxias que las acogen, el Universo es también el Tiempo y el Espacio, son Universo las interacciones fundamentales que hace que nuestros mundos sean tal como los conocemos y, gracias a la variedad, la diversidad, las fuerzas y las constantes que en él están presentes, podemos decir que, los muchos mundos que son, algún día lejano en el futuro, nos darán la oportunidad de conocernos, nosotros los huamanos de la Tierra y otros seres de más allá de nuestras fronteras que ahora, por imposibilidades físicas y tecnológicas, no podemos hacer una realidad.

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El primer signo de vida en nuestro planeta data de 3,850 millones de años. Son simples formas fósiles encontradas en Groenlandia Sí, también eso de arriba es Universo. Cuando se creó la vida, surgieron unos seres que, evolucionados, llegaron a ser conscientes de su ser y pudieron desarrollar ideas y pensamientos y…también sentimientos que nos llevan de manera directa, mediante fuerzas irresistibles de la Naturaleza, a crear Entropía Negativa para compensar la que acompaña al Tiempo y que tanto daño hace en las cosas vivas o inertes.

Hemos realizado muchos estudios y llegado a muchas conclusiones que, finalmente, resultaron prematuras. Las mediciones actuales, por ejemplo, del fondo cósmico nos indican que, aun cuando toda la materia del Universo se hubiera originado en el (supuesto) big bang, sin embargo, el espacio-tiempo es plano: el universo se equilibraría con precisión entre la expansión y la contracción. Y, sin embargo, ¡las galaxias se están expandiéndo! Quizá después de todo, existe una constante cosmológica o fuerza similar no descubierta que es el que mantiene el cosmos en estado de expansión.

Los cosmólogos dudan del vacío cuántico y no creen que sea el origen de las energías extrañas representadas representadas por estas constantes. El espacio está lleno de partículas virtuales, en constante variación. La energía de las partículas virtuales concuerdan con los efectos que le atribuyen, incluso cuando tienen una existencia tan breve que no se puede medir. Se cree que esta energía, la “constante cosmológica positiva” es la responsable de la expansión acelerada de las galaxias. Esta suposición que no es nueva, es una más de las muchas que circulan por el mundo científico de la cosmología en el que, los “expertos” cosmólogos, andan locos por averiguar de qué se trata todo esto que no llegan a comprender.

 

 El problema del horizonte. La coherencia que presentan las realciones núméricas se ve reforzada por la evidencia de la observación. Ésta última da lugar al llamado “problema del horizonte” : el problema de la uniformidad en la gran escala del Cosmos en todos los puntos del horizonte visto desde la Tierra. Este problema empezó a destacarse tanto en relación a la radiación del fondo del Universo, como en relación a la evolución de sus galaxias.

“Nuestro universo parece ser completamente uniforme. Si miramos a través del espacio desde un extremo del universo visible hacia el otro, se verá que la radiación de fondo de microondas que llena el cosmos presenta la misma temperatura en todas partes.”

“Esto podría no parecer muy sorprendente, hasta que se considera que los dos bordes están separados por casi 28 mil millones de años luz y que nuestro universo tiene apenas algo menos de 14 mil millones de años de edad.”

“Nada puede más rápido que la de la luz, de modo que no hay forma en que la radiación pueda haber viajado entre los dos horizontes para igualar los puntos calientes y los fríos creados en el Big Bang y dejar así el equilibrio termal que hoy vemos.”

Está claro que el problema del Horizonte se les ha ido de las manos a los Cosmólogos que no lo saben explicar y, para ello, tratan de hilvanar extrañas historias y exóticas teorías que, de ninguna manera nos satisfacen.

 

Como suele pasar siempre que mentes pequeñas quieren expñlicar cosas muy grandes, que no llegan a comprender, se limitan a inventar teorías y hacen conjeturas que, más o menos puedan estar acordes con la realidad que debería ser. El desarrollo de la cosmología física está lleno de enigmas que no podemos explicar y de anomalías que las teorías actuales tratan de desarrollar de la manera más coherente posible y, algunas se acercan y otras, quedan lejos de ser, ni siquiera admisibles por fantásticas e increíbles.

Lo dicho tántas veces…¡Nuestra ignorancia!

emilio silvera

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“Pues yo he sido a veces un muchacho y una chica,

Un matorral y un pájaro y un pez en las olas saladas.”

Esto nos decía Empédocles, el padre de aquellos primitivos elementos formados por Agua, tierra, aire y fuego que, mezclados en la debida proporción, formaban todas las cosas que podemos ver a nuestro alrededor. Claro que, él no podía llegar a imaginar hasta donde pudimos llegar después en la comprensión de la materia a partir del descubrimiento de las partículas “elementales” que formaban el átomo. Pero sí, con sus palabras, nos quería decir que, la materia, una veces está conformando mundos y, en otras, estrellas y galaxias.

Sí, hay cosas malas y buenas  pero todas deben ser conocidas para poder, en el primer caso aprovecharlas, y en el segundo, prevenirlas.

Pero demos un salto en el tiempo y viajémos hasta los albores del siglo XX cuando se hacía cada vez más evidente que alguna clase de energía atómica era responsable de la potencia del Sol y del resto de las estrellas que más lejos, brillaban en la noche oscura. Ya en 1898, sólo dos años despuès del descubrimiento de la radiactividad por Becquerel, el geólogo americano Thomas Chrowder Chamberlin especulaba que los átomos eran “complejas organizaciones y centros de eneromes energías”, y que “las extraordinarias condiciones que hay en el centro del Sol pueden…liberar una parte de su energía”. Claro que, por aquel entonces, nadie sabía cual era el mecanismo y cómo podía operar, hasta que no llegamos a saber mucho más sobre los átomos y las estrellas.

     Conseguimos tener los átomos en nuestras manos

El intento de lograr tal comprensión exigió una colaboración cada vez mayor entre los astrónomos y los físicos nucleares. Su trabajo llevaría, no sólo a resolver la cuestión de la energía estelar, sino también al descubrimiento de una trenza dorada en la que la evolución cósmica se entrelaza en la historia atómica y la estelar.

La Clave: Fue comprender la estructura del átomo. Que el átomo tenía una estructura interna podía inferirse de varias líneas de investigación, entre ellas, el estudio de la radiactividad: para que los átomos emitiesen partículas, como se había hallado que lo hacían en los laboratorios de Becquerel y los Curie, y para que esas emisiones los transformasen de unos elementos en otros, como habían demostrado Rutherford y el químico inglés Frederick Soddy, los átomos debían ser algo más que simples unidades indivisibles, como implicaba su nombre (de la voz griega que significa “imposible de cortar”).

El átomo de Demócrito era mucho más de lo que él, en un principio intuyó que sería. Hoy sabemos que está conformado por diversaspartículas de familias diferentes: unas son bariones que en el seno del átomo llamamos necleones, otras son leptones que gitan alrededor del núcleo para darle estabilidad de cargas, y, otras, de la familia de los Quarks, construyen los bariones del núcleo y, todo ello, está, además, vigilado por otras partículas llamadas bosones intermedios de la fuerza nuclear fuerte, los Gluones que, procuran mantener confinados a los Quarks.

Pero no corramos tanto, la física atómica aún debería recorrer un largo camino para llegar a comprender la estructura que acabamos de reseñar. De los trs principales componentes del átomo -el protón, el neutrón y el electrón-, sólo el electrón había sido identificado (por J.J. Thomson, en los últimos años del siglo XIX). Nadie hablaba de energía “nuclear” pues ni siquiera se había demostrado la existencia de un núcleo atómico, y mucho menos de sus partículas constituyentes, el protón y el neutrón, que serían identificados, respectivamente, por Thomson en 1913 y James Chawick en 1932.

De importancia capital resultó conocer la existencia del núcleo y que éste, era 1/100.000 del total del átomo, es decir, casi todo el átomo estaba compuesto de espacios “vacíos” y, la materia así considerada, era una fracción inifintesimal del total atómico.

Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden se encontraban entre los Estrabones y Tolomeos de la cartografía atómica, en Manchester , de 1909 a 1911, sonderaron el átomo lanzando corrientes de “partículas alfa” subatómicas -núcleos de helio- contra delgadas laminillas de oro, plata, estaño y otros metales. La mayoría de partículas Alfa se escapaban a través de las laminillas, pero, para sombro de los experimentadores, algunas rebotaban hacia atrás. Rutherford pensó durante largo tiempo e intensamente en este extraño resultado; era tan sorprendente, señalaba, como si una bala rebotase sobre un pañuelo de papel. Finalmente, en una cena en su casa en 1911, anunció a unos pocos amigos que había dado con una explicación: que la mayoría de la masa de un átomo reside en un diminuto núcleo masivo. Ruthertford pudo calcular la carga y el diámetro máximo del nucleo atómico. Así se supo que los elementos pesados eran más pesados que los elementos ligeros porque los núcleos de sus átomos tienen mayor masa.

Todos sabemos ahora, la función que desarrollan los electrones en el atomo. Pero el ámbito de los electrones para poder llegar a la comprensión completa, tuvo que ser explorado, entre otros, por el físico danés Niels Bohr, quien demostró que ocupaban órbitas, o capas, discretas que rodean al núcleo. (Durante un tiempo Bohr consideró el átomo como un diminuto sistema solar, pero ese análisis, pronto demostró ser inadecuado; el átomo no está rígido por la mecánica newtoniana sino por la mecánica cuántica.)

Entre sus muchos otros éxitos, el modelo de Bohr revelaba la base física de la espectroscopia. El número de electrones de un átomo está determinado por la carga eléctrica del núcleo, la que a su vez se debe al número de protones del núcleo, que es la clave de la identidad química del átomo. Cuando un electrón cae  de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón. La longitud de onda de este fotón está determinada por las órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición. E esta es la razón de que un espectro que registra las longitudes de onda de los fotones, revele los elementos químicos que forman las estrellas u otros objetos que sean estudiados por el espectroscopista. En palabras de Max Planck, el fundador de la física cuántica, el modelo de Bohr del átomo nos proporciona “la llave largamente buscada de la puerta de entrada al maravilloso mundo de la espectroscopia, que desde el descubrimiento del análisis espectral (por Fraunhoufer) había desafiado obtinadamente todos los intentos de conocerlo”.

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Es curioso que, mirando en la oscura noche como brillan las estrellas del cielo, nos atrae su titilar engañoso (es la atmósfera terrestre la que hace que lo parezca) y su brillo, Sin embargo, pocos llegan a pensar en lo que verdaderamente está allí ocurriendo. Las transformaciones de fase por fusión no cesan. Esta transformación de materia en energía es consecuencia de la equivalencia materia-energía, enunciada por Albert Einstein en su famosa fórmula E=mc2; donde E es la energía resultante, m es la masa transformada en energía, y c es la velocidad de la luz (300 000 kilómetros por segundo). La cantidad de energía que se libera en los procesos de fusión termonuclear es fabulosa. Un gramo de materia transformado íntegramente en energía bastaría para satisfacer los requerimientos energéticos de una familia mediana durante miles de años.

Es un gran triunfo del ingenio humano el saber de qué, están confomadas las estrellas, de qué materiales están hechas. Recuerdo aquí a aquel Presidente de la Real Society de Londres que, en una reunión multitudinaria, llegó a decir: “Una cosa está clara, nunca podremos saber de qué están hechas las estrellas”. El hombre se vistió de gloria con la, desde entonces, famosa frase. Creo que nada, con tiempo por delante, será imposible para nosotros.

Pero, por maravilloso que nos pueda parecer el haber llegado a la comprensión de que los espectros revelan saltos y tumbos de los electrones en sus órbitas de Bohr, aún nadie podía hallar en los espectros de las estrellas las claves significativas sobre lo que las hace brillar. En ausencia de una teoría convincente, se abandonó este campo a los taxonomistas, a los que seguían obstinadamente registrando y catalogando espectros de estrellas, aunque no sabían hacia donde los conduciría esto.

En el Laboratorio de la Universidad de Harvard, uno de los principales centros de la monótona pero prometedora tarea de la taxonomía estelar, las placas fotográficas que mostraban los colores y espectros de decenas de miles de estrellas se apilaban delante de “calculadoras”, mujeres solteras en su mayoría y, de entre ellas, Henrietta Leavitt, la investigadora pionera de las estrellas variables Cefeidas que tan útiles serían a Shapley y Hubble.

 

Imagen de Sirio A, la estrella más brillante del cielo tomada por el Telescopio Hubble  (Créd. NASA). Sirio es la quinta estrella más cercana y tiene una edad de 300, millones de años. Es una estrella blanca de la secuencia principal de tipo espectral A1V con temperatura superficial de 10 000 K y situada a 8,6 años luz de la Tierra. Es una estrella binaria y, de ella, podríamos contar muchas historias. La estrella fue importante en las vidas de Civilizaciones pasadas como, por ejemplo, la egipcia.

Fue Cannon quien, en 1915, empezó a discernir la forma en una totalidad de estrellas en las que estaba presente la diversidad, cuando descubrió que en una mayoría, las estrellas, pertenecían a una de media docena de clases espectrales distintas. Su sistema de clasificación, ahora generalizado en la astronomía estelar, ordena los espectros por el color, desde las estrellas O blancoazuladas, pasando por las estrellas G amarillas como el Sol, hasta estrellas rojas M. Era un rasgo de simplicidad denajo de la asombrosa variedad de las estrellas.

Pronto se descubrió un orden más profundo, en 1911, cuando el ingeniero y astrónomo autodidacta danés Ejnar Hertzsprung analizó los datos de Cannon y Maury de las estrellas de dos cúmulos, las Híades y las Pléyades. Los cúmulos como estos son genuinos conjuntos de estrellas y no meras alineaciones al azar; hasta un observador inexperimentado salta entusiamado cuando recorre con el telecopio las Pléyades, con sus estrellas color azul verdoso enredadas en telarañas de polvo de diamante, o las Híades, cuyas estrellas varían en color desde el blanco mate hasta un amarillo apagado.

                                                                                                    Las Híades

Hertzsprung utilizó los cúmulos como muestras de laboratorio con las que podía buscar una relación entre los colores y los brillos intrínsecos de las estrellas. Halló tal relación: la mayoría de las estrellas de ambos cúmulos caían en dos líneas suavemente curvadas. Esto, en forma de gráfico, fue el primer esbozo de un árbol de estrellas que desde entonces ha sido llamado diagrama Hertzsprung-Russell.

El progreso en física, mientras tanto, estaba bloquedado por una barrera aparentemente insuperable. Esto era literal: el agente responsable era conocido como barrera de Coulomb, y por un tiempo frustó los esfuerzos de las físicos teóricos para copmprender como la fusión nuclear podía producir energía en las estrellas.

La línea de razonamiento que conducía a esa barrera era impecable. Las estrellas están formadas en su mayor parte por hidrógeno. (Esto se hace evidente en el estudio de sus espectros.) El núcleo del átomo de Hidrógeno consiste en un solo protón, y el protón contiene casi toda la masa del átomo. (Sabemos esto por los experimentos de Rutherford). Por tanto, el protón también debe contener casi toda la energía latente del átomo de hidrógeno. (Recordemos que la masa es igual a la energía: E = mc2.) En el calor de una estrella, los protones son esparcidos a altas velocidades -el calor intenso significa que las partículas involucradas se mueven a enormes velocidades- y, como hay muchos protones que se apiñan en el núcleo denso de una estrella, deben tener muchísimos choques. En resumen, la energía del Sol y las estrellas, puede suponerse razonablemente, implica las interacciones de los protones. Esta era la base de la conjetura de Eddintong de que la fuente de la energía estelar “difícilmente puede ser otra que la energía subatómica, la cual, como se sabe, existe en abundancia en toda materia”.

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                                               Plasma en ebullición en la superficie del Sol

Hasta el momento todo lo que hemos repasado está bien pero, ¿que pasa con la Barrera de Coulomb? Los protones están cargados positivamente; las partículasd de igual carga se repelen entre sí; y este obstáculo parecía demasiado grande para ser superado, aun a la elevada velocidad a la que los protones se agitaban en el intenso calor del interior de las estrellas. De acuerdo con la física clásica, muy raras veces podían dos protones de una estrella ir con la rapidez suficiente para romper las murallas de sus campos de fuerza electromagnéticos y fundirse en un solo núcleo. Los cálculos decían que la tasa de colisión de protones no podía bastar para mantener las reacciones de fusión. Sin embargo, allí estaba el Sol, con el rostro radiante, riéndose de las ecuaciones que afirmaban que no podía brillar.

Afortunadamente, en el ámbito nuclear, las reglas de la Naturaleza no se rigen por las de la mecánica de la física clásica, que tienen validez para grandes objetos, como guijarros y planetas, pero pierden esa validez en el reino de lo muy pequeño. En la escala nuclear, rigen las reglas de la indeterminación cuántica.  La mecánica cuántica demuestra que el futuro del protón sólo puede predecirse en términos de probabilidades: la mayoría de las veces el protón rebotará en la Barrera de Coulomb, pero de cuando en cuando, la atravesará. Este es el “efecto túnel cuántico”; que permite brillar a las estrellas.

George Gamow, ansioso de explotar las conexiones entre la astronomía y la nueva física exótica a la que era adepto, aplicó las probabilidades cuánticas a la cuestión de la fusión nuclear en las estrellas y descubrió que los protones pueden superar la Barrera de Coulomb. Esta historia es mucho más extensa y nos llevaría hasta los trabajos de Hans Bethe, Edward Teller y otros, así como, al famoso Fred Hoyle y su efecto Triple Alfa y otras maravillas que, nos cuentan la historia que existe desde los átomos a las estrellas del cielo.

emilio silvera

La Gravedad…Esa fuerza misteriosa.

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (23)

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Dos nuevos estudios realizados por investigadores de Australia, Austria y Alemania han puesto en entredicho la forma en la que entendemos la física de la gravedad. Los descubrimientos, publicados en las revistas Astrophysical Journal y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, se basan en observaciones de galaxias enanas satélite o galaxias más pequeñas que se encuentran en el extrarradio de la gran galaxia espiral que es la Vía Láctea.

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