El cuarto estado de la materia: ¡Plasma! ¿Habrá otros?

En la Naturaleza hay muchos sistemas que exhiben estructuras, patrones y comportamientos dinámicos que no se esperan a priori dadas las leyes que gobiernan el comportamiento de los elementos que los componen. Se les llama sistemas complejos.

               En un Bosque Tropical, por muchas razones, también está presente la complejidad

Hay varios ingredientes comunes a casi todos ellos. Son en su mayoría sistemas que se mantienen fuera del equilibrio termodinámico por acción externa. En ellos, se establecen fuertes interacciones no-lineales entre un gran número de componentes o grados de libertad; existen umbrales locales para la excitación de inestabilidades; asimismo, hay abundantes fluctuaciones y ruidos de distinto tipo y naturaleza. Ejemplos de estos sistemas son los Forestales, las Placas Testónicas e incluso muchos sistemas sociales y económicos. Pero, en este caso, nos centraremos en un sistema complejo que está presente en el Universo y que, es en realidad el estado más común que adopta la materia conocida: ¡El plasma!

La dinámica del plasma es extremadamente compleja, y en la actualidad no se ha logrado comprenderla por completo. Científicos del Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), que han trabajado en el cálculo de plasmas para el Stellarator español TJ-II, y del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) de la Universidad de Zaragoza realizan simulaciones de plasmas que se obtendrán en el proyecto ITER.

Pero continuémos con el artículo…

Comportamientos de este tipo son también comunes en muchos Plasmas, un estado de la materia similar a un gas en el que las partículas están ionizadas y que son extremadamente comunes en nuestro Universo. Aunque las ecuaciones que las gobiernan son relativamente simples, su comportamiento es muy variado debido a la extrema sensibilidad que tienen a la presencia de campos magnéticos y eléctricos.

En nuestro Universo, el Plasma está presente en mucho lugares y, de hecho, es la forma más común de la materia conocida y que podemos observar, es decir, la Bariónica, la que emite radiación. Todas las estrellas del cielo están compuestas de materia en forma de plasma. También son filamentos de plasma los que podemos observar en los remanentes de supernovas.

                                                                      Condensación de Bose-Einstein

¿Cómo cuarto estado? ¿Es que no existen tres estados? Existe el gas, el líquido y el sólido…¿existen mas estados? Pues sí que existen y, además del Plasma, existe todavía un quinto estado de la materia: los condensados de Bose-Einstein, predichos por Bose y Einstein en 1924, realizados en el laboratorio durante el año 1995 por Eric Cornell, Wolfgan Ketterle y Carl Wieman. Ganadores éstos del Nobel en el 2001, pudieron enfriar átomos hasta casi dejarlos inmóviles. Éste nuevo estado poseen propiedades que otros estados no poseen como la superconductividad y la superfluidez. Sigamos.

Por ello, los Plasmas se encuentran a menudo en la frontera entre comportamiento ordenado y desordenado, siendo tan inadecuado describirlos usando funciones matemáticas sencillas y suaves como mediante formalismos puramente aleatorios. En este artículo, Raúl Sánchez, Boudewijn Ph, van Milligen y Juan M.R. Parrondo, repasan algunos de los comportamientos complejos observados en Plasmas diversos, desde los de interés para generar energía de fusión hasta Plasmas atmosféricos, solares y astrofísicos.

¿Qué son los Plasmas Astrofísicos?  Pues arriba, en la imagen de la Nebulosa de Orión está presente

Las características de los plasmas astrofísicos (su densidad, su temperatura y su campo magnético) cubren un amplio rango de valores en el Universo. La densidad puede ser de menos de una partícula por centímetro cúbico (como en el medio intergaláctico) hasta muchos millones de millones de partículas por centímetro cúbico como (en el interior de las estrellas). La temperatura va desde algunos miles o decenas de miles de grados en los espacios intergaláctico e interestelar hasta varios millones en el interior de las estrellas. Y los valores del campo magnético también cambian muy drásticamente, desde valores de millonésimas de Gauss en el plasma intergaláctico hasta cientos de miles de Gauss en algunas estrellas. En astrofísica, pues, es fundamental la investigación de los plasmas magnetizados.

En las últimas décadas ha adquirido gran popularidad la llamada comunmente teoría de la complejidad. El número de artículos, libros y trabajos que de una manera u otra se engloban dentro de lo que se llama complejidad es gigantesco. Sin embargo, no existe tal teoría de la complejidad, al menos en el sentido tradicional de una teoría cerrada al estilo de la relatividad o la mecánica cuántica.

    Si observamos con atención, podemos ver cómo en el Universo, muchas cosas se repiten y tienden a copiar patrones

Lo que se conoce como teoría de la complejidad es más bien un conjunto de ideas, modelos paradigmáticos, técnicas y herramientas que pueden ser útiles para caracterizar la dinámica de los llamados sistemas complejos. La definición de los mismos es también imprecisa, habiendo posiblemente tantas definiciones diferentes como investigadores trabajando en ese campo.

Aquí, introduzco algunos comentarios míos que vienen a dejar en el aire preguntas que quisiéramos tener resueltas, como por ejemplo:

¿Por qué la ciencia se las arregla para un cohete a un planeta distante, haciéndonos saber qué día y a qué hora llegará, pero nos deja inciertos sobre el pronóstico meteorológico del fin de semana? ¿Existen sistemas que no se pueden predecir? ¿Por qué? ¿Cuáles son? Causas y azares cuenta la historia del caos y de los sistemas complejos, de cómo se descubrió que pequeñísimas variaciones en las condiciones iniciales de un sistema podrían dar lugar a resultados insospechados, es decir, cómo los sistemas son capaces de comportarse caóticamente.

En este artículo, los autores también expondrán sus definiciones, y, para ellos, un sistema complejo cuando está compuesto de un gran número de partes o grados de libertad que interaccionan no-linealmente entre sí y que, como resultado de esta interacción, exhiben comportamientos dinámicos no extendibles como la simple suma de los comportamientos individuales de sus componentes. Entre estos comportamientos se suelen mencionar fenómenos de auto-organización y emergencia, así como la exhibición de propiedades como auto-similaridad espacial y temporal, o la importancia de la memoria en la dinámica del sistema.

          Muchos son los sistemas que están auto-organizados y siguen una dinámica que les dicta la memoria.

Por auto-organización se entiende que el hecho de que el Sistema evoluciona expontáneamente, sin ser guiado desde fuera, hacia un punto fijo de la dinámica en el que, manteniendose fuera del equilibrio terrmodinámico, se exhiben el resto de propiedades. Entre las propiedades emergentes destacan la aparición de patrones espaciales o temporales y estructuras macroscópicas y coherentes. En muchos casos, estos estados atractores de la dinámica son invariantes bajo cambios de escala (es decir, auto similares) y su evolución temporal tiene una fuerte dependencia de la historia previa del sistema, lo que se conoce como memoria. Los Plasmas son un estado de la materia similar a un gas, pero en el que una fracción más o menos grande de los átomos que lo componen se encuentran ionizados.

Enorme cantidad de átomos ionizados están presentes en esa protuberancia del Sol que, al estar formados por partículas cargadas, son extremadamente sensibles a la presencia de campos eléctricos y magnéticos, los cuales pueden cambiar rápidamente debido al movimiento de las cargas, , que hacen que cualkquier perturbación de los mismos se atenúe o, por el contrario, crezca exponencialmente dando lugar a algunas de las múltiples inestabilidades posibles en estos sistemas..

La descripción más sencilla de estos Plasmas viene dada por el sistema acoplado formado por una ecuación cinética que describa la evolucíón de la función de distribuición de iones y electrones, más la ecuación de Maxwell incvluyendo en sus fuentes las densidades de cargas y corrientes debidas al movimiento de las cargas que forman el Plasma.

Fenómenos emergentes en Plasmas

Debido a este acoplamiento tan fuerte y no-lineal entre partículas cargadas y campos, existen en todo momento un gan número de grados de libertad en constante interacción en estos plasmas, lo que hace que sean medios extremadamente turbulentos. Por ello, los plasmas son un gran medio de cultivo en el que aparecen dinámicas complejas en el sentido anteriormente descrito.

Ejemplos de fenómenos emergentes pueden encontrarse en las dinamos solares y galácticas, procesos por el cual estrellas y galaxias son capaces de generar un campo magnético macroscópico no nulo o reforzar un campo preexistente a través de la interacción no linela entre grados de libertad cinéticos y magnéticos de los Plasmas que las componen.

Por ejemplo, la dinámo solar es el proceso por el cual se genera el campo magnético dipolar del Sol. El mecanismo detallado de su generación es aún desconocido, aunque parece claro que es generado por una corriente eléctrica que fluye en su interior, producida por la rotación diferencial de la gran bola de plasma que es el Sol.

En general, el tipo de dinamo producido depende de la estructura de este flujo diferencial. Por ejemplo, en presencia de un campo semilla externo, el movimiento diferencial del fluido lo retuerce y lo refuerza. En otros casos,  la dinamo es auto-generada, como es el caso del Sol. La dirección del campo magnético solar resultante se invierte aproximadamente cada 11 años, lo que causa los ciclos de manchas solares asociados a los tubos magnéticos que suben a la superficie del Sol desde el interior. La secuencia temporal de estas inversiones es sin embargo mucho más complicada que una simple variación periódica, y exhibe correlaciones temporales de largo alcance (es decir, memoria).

  Las grandes manchas solares que podemos observar cuando el Sol está en plena actividad. Nuestro Sol es una compleja bola de plasma, la Dinámica de las llamaradas solares, de las que más arriba y abajo podemos observar una muestra, son tan potentes que inciden en nuestro planeta situado a ciento cincuenta millones de kilómetros. De hecho, esa actividad solar, el comportamiento del plasma nos lleva hasta las transiciones de fase de la materia que en lugares como el corazón de las estrellas, se pueden transmutar de sencillos en complejos. La vida no sería posible sin las estrellas.

Las llamaradas solares son uno de los fenómenos solares más impresionantes y también de los más estudiados tanto teóricamente como experimentalmente. Existen abundantes series temporales obtenidas de la observación de las mismas, y la comprensión de su estadística es un campo de estudio tan intenso como el del estudio de los mecanismos físicos que gobiernan su aparición.

Se trata de eventos catastróficos que tienen lugar en la corona solar, probablemente disparados por la inestabilidad asociada a la reconexión de líneas magnéticas, y que producen una emisión sobre practicamente todo el espectro electromagnético. La reconexión que tiene lugar en la corona es alimentada desde el interior del Sol por la combinación de complejos flujos turbulentos y la rotación diferencial del Sol. la acumulación de tubos magnéticos en la corona provenientes del interior del Sol continua hasta que supera un umbral crítico.

No podemos negar, en contra de nuestro deseo, que la estructura interior del Sol sigue siendo misteriosa, y, aún tenemos que llegar a comprender algunos mecanismos interiores que inciden en el devenir del astro, es causa de sus comportamientos y, sobre todo, cuando podamos conocerlos, nos permitirá, quizás, tener fuentes de energías de las que ahora carecemos.

Podríamos seguir con las tormentas magnéticas y el transporte radial inducido por turbulencia marginal en plasmas de fusión, o bien, centrarnos en Modelos efectivos de transporte para sistemas complejos. También se podría hablar aquí de que la materia, seguramente  adopta otros estados que aín no hemos llegado a conocer como esa hipotética “sopa de Quarks-Gluones” que, seguramente, está presente en el ámbito estelar.

Se cree que si elevamos las temperaturas más de cien mil veces la que hay en el interior del Sol, la materia adoptaría ese estado de plasma de quarks-gluones. He leido por ahí que:  “El plasma de quarks-gluones es un estado de la materia en el que los quarks, que normalmente aparecen en parejas o tríos, flotan libremente en una sopa caliente cósmica. Los teóricos creen que el universo estaba en este estado unos microsegundos tras el Big Bang, justo antes de enfriarse y pasar al estado normal de materia que vemos actualmente”.

Bueno, creo que el objetivo de lo que pretendía al comentar está cumplido.

emilio silvera

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