sábado, 15 de agosto del 2020 Fecha
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Conociendo la Naturaleza ¡Qué maravilla!

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

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Sus dimensiones y masa le permiten ¡lo imposible! para nosotros. La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos fuerza de Van der Vaalls. esta fuerza tiene un alcance muy corto. para ser más precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente proporcional a 1/r7. Esto significa  que si se reduce la distancia entre dos átomos a la mitad, la fuerza de Van der Vaalls con la que se atraen uno a otro se hace 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza.

La mecánica cuántica domina en el micromundo de los átomos y de las partículas “elementales”. Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio. Esta onda no es como una onda de agua. Se parece más a una ola de histeria que se expande: es una onda de información. Nos indica la probabilidad de detectar una partícula. La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa. Se utiliza para describir la expansión del universo o el comportamiento en situaciones extremas, como la formación de agujeros negros.

Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que la incidencia gravitatoria es despreciable. Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y galaxias, donde la presencia de la gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

Como resultado de estas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el universo de lo muy pequeño o en el universo de lo muy grande. Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son. En realidad, es la propia Naturaleza la que marca esos límites que Stoney-Planck, supieron plasmar en ecuaciones que los marcan.

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10-33 de centímetros, más joven que el tiempo de Planck,  10-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 1032 grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.  La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1.975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo que es lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz. La información se transmitirá a esa velocidad como máximo, nuestro Universo, no permite mayor rapidéz, al menos, por los métodos convencionales.

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos.

\ell_P =\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \approx 1.616 199 (97) \times 10^{-35} \mbox{ metros}        (Longitud de Planck que al cuadrado sería de 10-66 cm2)

Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10-66 cm2.  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

                                             Stoney                                                                        Planck

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.

Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y mprotón

Ilustración de la variación de la constante. UNSW.

“Tras medir alfa en unas 300 galaxias lejanas, vimos un patrón constante: este número, que nos dice la fuerza del electromagnetismo, no es igual en otras partes que en la Tierra, y parecer variar de forma continua a lo largo de un eje”. Algunos se empeñan en variar la constante de estructura fina y, si eso llegara a producirse… las consecuencias serían funestas para nosotros. Otros estudios nos dicen que esa constante, no ha variado a lo largo de los miles de millones de años del Universo y, así debe ser, o, si varió, lo hizo en una escala ínfima.

α = 2πe2 / hc ≈ 1/137

αG = (Gmp2)2 / hc ≈ 10-38

Si varian algunas de las dos en sólo una diezmillonésima, muchas de las cosas que conforman el Universo serían imposible y, la consecuencia sería, la ausencia de vida.  La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y aG, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro. Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben. En el cartel sólo pondría esto: 137. Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”

Lederman

 

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba. La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón, por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck. Tanta palabrería y numerología no significan otra cosa sino que ese solo numero, 137, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón, e-), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y la teoría cuántica (la constante de Planck, h).

Todo eso está relacionado: leyes fundamentales, constantes, materia y espacio tiempo… ¡nosotros!

emilio silvera

¡La Naturaleza! ¿Cuantas maravillas puede realizar?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (0)

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Hemos llegado a saber que, otros planetas, situados en la zona habitable de su estrella, también pudieran tener Vida. La Astrofísica nos llevará de la mano hasta lejanos lugares y mundos de fantásticas posibilidades que, cuando las podemos contemplar, nos asombraran y, sobre todo, nos enseñará que estamos muy bien acompañados.

Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él, fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el big bang y a una posterios fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

 Los ojos que miran desde los confines del universo

Una potente simulación de la naturaleza nos permite ser testigos de los procesos que se generan en la colisión de dos cuerpos galácticos y, nuestros modernos telescopios, nos permiten captar imágenes como las que arriba podemos contemplar, en la que, galaxias inmensas como la propia Vía Láctea, se funden en un abrazo… ¿De Amor o de Muerte? Bueno, casi siempre, el resultado final es la Vida nueva.

File:Deuterium-tritium fusion.svg

La fusión libera energía. La energía liberada está relacionada con la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. Esta es la versión más simple de la historia. En realidad existen electrones, neutrinos y fotones involucrados en esta historia que hacen posible la fusión de Hidrógeno hacia helio .Lo importante es recordar que esta fusión desprende energía en el centro de una estrella. Esta es la fusión que genera energía en nuestro Sol. Conocemos esta energía cuando sentimos calor en un día de verano.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

          El Proceso Triple Alfa:

1) He-4 + He-4 → Be-8 + Energia

2) Be-8 + He-4 → C-12 + Energía

3) C-12 + He-4 → O-16 + Energía

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO ). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

Las reacciones de fusiones que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón (carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

Archivo:Keplers supernova.jpg

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía para sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y supermasivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara hacia arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

la imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercana galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de años luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y la nube, con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

Los remanentes de supernovas cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio para saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos.

Antes dejámos una relación de materriales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitan Cook negociaban por el afecto de las tahitianas que, después de meses aislados en el mar, les parecían diosas salidas del paraiso.

La muerte de una estrella supergigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

Recreación de la muerte de una estrella supergigante

Recreación de la muerte de una estrella supergigante (ABC apartado Ciencia)

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y, como más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio. ¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planete Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creración de esos materiales complejos entre los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que, al llegar al final de sus vidas, pueden surgir planetas como la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plgado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuantas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

Tendremos que convenir que la Naturaleza es sabia, ya que, como nos decía Lederman, el premio Nobel de Física:

“Todo lo que hay en el universo pasado o presente, del caldo de pollo a las estrellas de neutrones, podemos hacerlo con sólo doce partículas de materia. Nuestros á-tomos se agrupan en dos familias: seis quarks y seis leptones. Los seis quarks reciben los nombres de up (arriba), down (abajo), encanto, extraño, top (cima) o truth (verdad) y bottom fondo) o beauty (belleza). Los leptones son el electrón, tan familiar, el neutrino electrónico, el muón, el neutrino muónico, el tau y el neutrinotau.”

Claro que Lederman y el mismo Demócrito mucho antes que él, además de hablar de átomos y de Quarks y Leptones, se dejaron por detrás eso que llegaron a generar tales “insignificantes” partículas: Pensamientos y sentimientos que, dicho sea de paso, puede que sea el más alto grado evolutivo alcanzado por la materia hasta el momento (al menos hasta donde hemos podido conocer).

Ahí, en esa visión cognitiva de nuestro cerebro, están todos los secretos del mundo. En nuestros genes que tienen memoria, están grabadas todas las cosas que han sucedido en el transcurso de los miles de millones de años que el Universo ha estado fabricando estrellas y mundos para que, nosotros, seres que pudimos alcanzar la consciencia de Ser, los podamos desvelar… ¡Con el Tiempo!

emilio silvera

¡El conocimiento!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Mente - Filosofía    ~    Comentarios Comments (3)

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                        El conocimiento es tener noción de saber, es inteligencia para adquirirlo.

El problema filosófico de las cuestiones relacionadas con el conocimiento, es decir, la forma del conocimiento de la realidad, las posibilidades existentes de que ese conocimiento responda exactamente a lo que ésta es en sí, etc, no constituyó una preocupación fundamental para los filósofos hasta la llegada de Kant que, en el siglo XVIII, suscitó en gran escala estas dificultades. Con anterioridad a Kant, el problema se reducía al sujeto que conoce y objeto conocido, se fijaban fundamentalmente en el segundo de ellas, y la filosofía moderna, por el contrario, está centrada en el sujeto cognoscente.

La inquietud por este problema comienza con Descartes, Leibniz, Locke, Berkeley, Hume que influyó decisivamente en Kant en quien el problema a esta cuestión, como ya he comentado antes, en alguna parte de este mismo trabajo, la cuestión se formuló así: todo conocimiento arranca o nace de nuestras experiencias sensoriales, es decir, los datos que nos suministran nuestros cinco sentidos, pero no todo en él procede de estos datos. Dicho de otra manera, hay en nosotros dos fuentes o potencias distintas que nos capacitan para conocer, y son la sensibilidad (los sentidos) y el entendimiento o inteligencia. Ésta no puede elaborar ninguna idea sin los sentidos, pero también éstos son inútiles sin la ayuda del entendimiento. Es como un conjunto simétrico, algo perfectamente acoplado para formar un todo.

 

Me viene a la memoria en este punto la explicación que me dio una vez mi hija María, cuando por curiosidad le pregunté: ¿Qué es el contrapunto?

“Es la concordancia armónica de dos o más voces cada una con su línea melódica, de cuya superposición resulta la armonía de la obra musical.

Se aplica además el arte de conducir las voces con cierta independencia, sin incurrir en falta contra las reglas de la armonía. El contrapunto severo se atiene estrictamente a ellas, mientras que el libre admite cierta soltura, siempre que no incurra en desarmonía y cacofonía. En el doble las voces pueden ser intercambiadas. Los métodos empleados son la imitación de un motivo, el canon y la fuga, y estos últimos son complicados entre lanzamientos del motivo de la melodía.

La palabra contrapunto la utilizó por primera vez Philippe de Vitro, teórico del siglo XIV.

El contrapunto es la técnica compositiva por la cual, sobre una melodía dada, se construye un conjunto de una o varias contramelodías o contrapuntos, consiguiendo que, finalmente todo sea un conjunto armonioso.”

 

Aunque lo mío es la física y otras ramas del conocimiento, de vez en cuando recurro a María para preguntarle algunas cuestiones bajo el punto de vista musical que, no en pocas ocasiones, coincide con temas científicos. La respuesta que me dio sobre el contrapunto es aplicable a un sin fin de cuestiones y problemas científicos y cotidianos: buscar la armonía en la diferencia.

Podríamos aplicar el arte de combinar los sonidos de las voces humanas o los instrumentos, o de unos y otros a la vez para causar un efecto estético, a nuestra vida social y sobre todo a la política, procurando que unos y otros, voces discordantes y pensamientos distintos, guiados por una regla de ética y moral, pudieran reflejar un comportamiento estético.

 

La Música (como la Poesía y la Física) enaltece al ser humano, nos eleva y nos hace mejores. Una música que nos llega y es capaz de despertar nuestros sentimientos, nos puede transportar muy lejos, allí donde encontraremos el amor y la felicidad que, en este mundo nuestro, está escondida. En lo que se refiere a la Física, cuando podemos llegar a comprender cómo funciona el “mundo” no podemos dejar de asombrarnos ante tanta sencillez y, sin embargo, tánta maravilla. La poesía, es algo que sale del “Alma”, que trasciende a lo material para llevarnos a ese mundo mágico de la realidad soñada.

El término “música” procede del griego mousiké a través de la adaptación latina música. En el mundo griego se designaban con este nombre todas las ramas del arte que eran presididas por las Musas. Pitágoras fue el teórico musical más importante de la antigüedad.

“Pitágoras, según dice Jenócrates [396-314 a. De J.C.], descubrió que los intervalos en música no pueden originarse sin el número, ya que consisten en la combinación de una cantidad con otra. Así que examinó a qué se debía el que los intervalos fueran concordantes o discordantes y, en general, el origen de todo lo armónico y lo inarmónico” (Berbabé 2002). De ahí surgiría una misteriosa comunicación entre las matemáticas y la música, en un fascinante y atractivo juego de trasferencias e influencia mutua que podemos rastrear hasta el siglo XX.

Formuló el concepto de armonía y a partir de sus análisis sobre la naturaleza del sonido se creó el cálculo pitagórico de intervalos y las escalas modales, cuya importancia fue decisiva en el desarrollo de la música medieval.

Los principios teóricos de los griegos se transmitieron a la música litúrgica cristiana a través de autores como San Agustín, Boecio y Casiodoro.  Durante los primeros siglos del cristianismo, la música se circunscribió al ámbito religioso, concretamente al canto litúrgico, cuyo fundamento está constituido por la síntesis entre el sistema modal griego y ciertas influencias de la tradición judía.

Como veo que esto se me va de las manos y puedo terminar este trabajo escribiendo una historia de la música, mejor lo dejo y me dedico a lo que en realidad me debo: el pensamiento y la búsqueda del saber, dado que, lo único cierto, es nuestra ignorancia.

emilio silvera

¿Nueva clase de materia?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (19)

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La materia “extraña”

Cuando se estaba por detonar la primera bomba atómica en 1945, algunas personas se oponían porque creían que semejante energía, liberada en la atmósfera, podría generar una reacción nuclear en cadena que encendería todo el planeta. Los científicos sabían que no sería así, de modo que hicieron estallar su artefacto y nada de lo temido ocurrió.

Hace relativamente poco se estrenó un nuevo acelerador de partículas, el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, en español Colisionador relativístico de iones pesados) en el Brookhaven National Laboratory de los EUA. Una de las razones de la fabricación de este supercolisionador fue el interés de los científicos en recrear situaciones que se presentaron en el comienzo del universo, durante los primeros instantes del Big-Bang. Las leyes físicas que describen la materia bajo esas condiciones no son conocidas a las perfección, por lo tanto no se puede definir exactamente qué se puede esperar de un experimento así. ¿Se podrían presentar situaciones catastróficas que pusieran en riesgo a nuestro mundo?

El RHIC acelera iones de oro hasta un 99,5 % de la velocidad de la luz, que como todos sabemos es el límite absoluto al que se puede acelerar un objeto material. A esta velocidad, dos haces de iones que se mueven en direcciones opuestas chocarán entre sí y, piensan los científicos, se podrían crear nuevas formas de materia.

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Acercarse a la velocidad de la luz… trae consecuencias

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (9)

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Todos sabemos de los fenómenos que se pueden producir en algunos aspectos de la relatividad especial de Einstein. Él no quiso llamarla de esa manera y, había pensado que “teoría de la invariabilidad” que reflejaba el carácter invariable de la velocidad de la luz, entre otras cosas, estaría bien. Sin embargo, finalmente se quedó como la Teoría de la Relatividad Especial. La obra de Eintein demostraba que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar sepados y ser absolutos, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente, también están interrelacionadas. La más famosa de sus fórmulas constituye uno de los ejemplos más importantes.

En esta escueta fórmula Einstein afirma que la energía (E) de un objeto y su masa (m) son conceptos independientes; podemos determinar la energía a partir de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c2) o podemos determinar la masa conociendo su energía (dividiendo esta úlñtima dos veces por la velocidad de la luz). En otras palabras, la energía y la masa son las caras de una misma moneda. Claro que, el tipo de cambio es grande (c2 es una cantidad considerable). Una masa pequeña llega a producir una cantidad considerable de energía.

Nube de hongo sobre Hiroshima después de haber soltado la bomba Little Boy.
La nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear sobre Nagasaki.
   Nube del hongo sobre Hirosima y
   Nube del hongo sobre Nagasaki
En Hirosima se utilizó como arma el devastador poder destructivo obtenido de la conversión en energía de menos del uno por ciento de 900 gramos de uranio; algún día,  en centrales energéticas de fusiòn podremos utilizar productivamente la fórmula de Eisntein para bien de la Humanidad y satisfacer la demanda de energía del mundo moderno aprovechando la materia prima inagotable que tenemnos en el agua de los mares y océanos de la Tierra.
Los conceptos que ponen de relieve la Teoría de la Relatividad Especial, ponen de relieve principios fundamenteles y una de las cosas que nunca podremos hacer es ir más rápido que la velocidad de la luz. Algunos de ustedes se podrá preguntar ¿por qué no podemos coger un objeto, por ejemplo un muón, que un acelerador de partículas haya impulsado hasta conseguir que se mueva a 298 168 Km/s -el 99,5 por ciento de la velocidad de la luz- y “empujarlo un poco más”, consiguiendo que vaya al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz, y entonces”empujarlo realmente un poco más” para tratar de que cruce la barrera de la velocidad de la luz.

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

  1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
  2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

 

 

http://www.fondospantallagratis.es/wp-content/uploads/2010/09/acelerador-de-particulas.jpg

 

 

Estamos tratando de cruzar la barrera de la velocidad de la luz pero, Einstein, en su fórmula nos explica que tal cosa no es posible, y, el esfuerzo no tendría éxito precisamente por lo que antes hemos explicado para las dos maneras en que se transmite la energía y se puede incoprporar a un cuerpo libre.
Cuanto más rápido se mueve un objeto, más energía tiene y, a partir de la fórmula de Einsteon, vemos que cuanta más energía tiene un objeto, más masa posee. Por ejemplo, los muones que se desplacen al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz pesan más que los mjuónes inmóviles. De hecho, la vrdad es que se vuelven 22 veces más pesados.
Pero, cuanto más masa tiene un objeto, más difícil es incrementar su velocidad. Una cosa es empujar una ligera bicleta  y otra muy distinta, empujar a un pesado camión. Así, a medida que un muón se mueve más rápido, se hace cada vez más difícil aumentar aún más su velocidad. Cuando se desplaza a un 99,999 por ciento de la velocidad de la luz, la masa de un muón se multiplica por 224; a un 99,99999999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70 000. Como la masa del muón aumenta sin limiter a medida que su velocidad se aprocima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Por supuesto, esto es imposible de alcanzar y, en consecuencia, nignún objeto puede (en nuestro unhiverso) moverse más rápido que la luz (llegaría a tener una masa infinita) que es el limite de velocidad que podemos alcanzar y también, el limite para poder transmitir información.
La velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo. Podría rodear la Tierra casi 7 veces cada segundo. Es una barrera, un límite en el Universo. Nada puede viajar a más velocidad. Además de ser insuperable, la velocidad de la luz parece ser uno de los fundamentos sobre los que se ha construido nuestro Universo.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c×c, es decir: 3×1010 × 3×1010, ó 9×1020. Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000. Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×1020 ergios de energía.

El ergio es una unida muy pequeña de energía que equivale a: “Unidad de trabajo o energía utilizado en el sistema c.g.s y actúa definida como trabajo realizado por una fuerza de 1 dina cuando actúa a lo largo de una distancia de 1 cm: 1 ergio = 10-7 julios”. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia convertido en energía daría 2’2 × 1010 (22 millones) de kilocalorías.  Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.

O digámoslo de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia, bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.

Claro que la luz, también es mucho más que todo eso y es una manisfestación electromagnetica como el resto de las radiaciones. A medida que la luz va desde una galaxia a otra más distante, esa luz se extiende como lo hace el espacio y eso hace que la luz, cuya longitud de onda es intrínsecamente corta, se convierta gradualmente en luz roja de longitud de onda más larga. Esa es la causa del desplazamiento hacia el rojo de los espectros de luz de las galaxias distantes.

 

 

 

 

¿Cómo se convierte el  “desplazamiento hacia el rojo” en una manera para medir distancias en el Universo? Todo se debe a un sorprendente descubrimiento realizado en 1926 en el observatorio del monte Wilson, cerca de Los Ángeles. Allí Edwin Hubble descubrió que el Universo se está expandiendo. Fue un hallazgo increíble, pues nadie se esperaba algo así. Al haber  “desplazamientos hacia el rojo” en todas direcciones, Hubble descubrió que todas las galaxias distantes del Universo se estaban separando entre sí, algo que hoy sabemos que está causado por la expansión del propio espacio.

 

 

Efecto  Doppler

Vista desde la Tierra una galaxia no parece alejarse, pero sabemos que sí ocurre porque su luz en espectro aparece más desplazada hacia la zona del rojo de lo habitual para los elementos químicos que nos llegan de la misma. Una galaxia que se aleje a poca velocidad adquirirá un ligero tono rojizo, pero una galaxia que se aleje más rápidamente adquirirá un rojo más intenso, un mayor “desplazamiento hacia el rojo”. Pero Hubble también descubrió que las galaxias que se mueven a mayor velocidad, también son las que están más alejadas. Eso significa que cuanto mayor sea el  “desplazamiento hacia el rojo”, más lejos estará la galaxia.

Averiguando la velocidad de expansión del espacio y realizando los cálculos inversos, los cosmólogos han podido estimar la edad del Universo en unos 13700 millones de años. Así que lo más lejos que podemos observar en cualquier dirección es 13700 millones de años luz. La luz no ha podido viajar más. Es el denominado “Universo observable”. Una esfera de poco menos de 13700 millones de años luz en todas direcciones que contiene todo lo que podemos ver. No hay razón para considerar que el “Universo observable” abarque todo el tamaño del Universo. Podría ser mayor, pero eso es lo que podríamos ver dado el tiempo que la luz ha viajado.
Un astrónomo situado en una galaxia del extremo del horizonte no puede ver ninguna de las galaxias situadas en el otro extremo de nuestro Universo. Pero puede ver galaxias situadas a unos 13.7000 millones de años luz en la otra dirección y así sucesivamente. Por lo que respecta a los astrónomos de la Tierra, el límite de la velocidad de la luz los tiene atrapados. Si nos preguntáramos que está ocurriendo más allá de nuestro “Universo observable” tendríamos que afrontar el hecho de que la velocidad de la luz es realmente una barrera.

 

 

 

 El GPS consta de una red de 24 satélites, que orbitan en la Tierra a una altura de 20000 km sobre la superficie. En cualquier momento, cualquier vehículo donde se halle instalado recibe la señal de al menos 4 satélites y compara la duración de las distancias a que se encuentran, a la velocidad de la luz, para calcular su ubicación exacta  en la superficie. Todo el sistema depende de relojes extraordinariamente precisos y cuando los ingenieros los diseñaron sabían que los satélites se moverían a casi 11300 km/h, una velocidad suficiente para ralentizar sus relojes una diminuta fracción de segundo. Los ingenieros incluyeron en el sistema todas las diferencias de tiempo relativistas y eso les ha conferido una precisión impresionante. Como los relojes de los satélites avanzan a unas velocidades diferentes que los relojes situados sobre la Tierra, sin estas correcciones relativistas la posición del vehículo sería errónea.

 

 

 

                                                             Sistema  GPS

La distorsión del tiempo es sólo una de las extrañas consecuencias de viajar con velocidades próximas a las de la luz. Imaginemos que  continuamos con la “bici” pedaleando a velocidades próximas a las de la luz, entonces el espacio comienza a hacer cosas extrañas para el ciclista y para la bicicleta. Un observador apreciaría que la longitud de la bicicleta disminuye en la dirección del movimiento, que se encoge en dicha dirección. Este efecto se conoce como  “contracción de la longitud” y junto con la  “dilatación del tiempo” son percibidos así por un observador inmóvil cuando ve algo que se mueve con velocidades próximas a la de la luz.

Pero también el ciclista que se mueve a esta velocidad experimenta los efectos relativistas y su visión del mundo cambia radicalmente conforme su velocidad se aproxima a la de la luz. Las formas de las cosas comienzan a distorsionarse, todo se curva formándose una especie de túnel y los colores se van deformando también. Los cambios de color se explican por el fenómeno físico denominado  “efecto Doppler”, mientras que la distorsión de la forma ocurre por un fenómeno óptico denominado “aberración”.
La velocidad de la luz tiene otras peculiaridades en el lento movimiento de nuestro mundo. Peculiaridades que sí percibimos muy bien. La velocidad de la luz es constante, pero únicamente en el vacío del espacio. Cuando la luz atraviesa otros medios como el vidrio o algún fluido se ralentiza considerablemente. Si no lo hiciese así los telescopios o la visión humana, por ejemplo, no funcionarían.

 

 

 

La luz viaja más lentamente a través del agua, por eso vemos que la luz se refracta, se curva y se ondula cuando estamos bajo el agua. La vida tal y como la conocemos sería muy diferente si la luz no se propagara a velocidades diferentes a través de materiales diferentes. No podríamos ver y nuestros ojos no funcionarían igual. En un universo donde la luz se moviese a igual velocidad a través de todos los materiales, sabríamos muy poco del mundo que nos rodeara, sólo veríamos vagas manchas de luz y oscuridad. Esto ocurriría porque nuestros ojos dependen de unas lentes biológicas, los cristalinos, para enfocar las imágenes en nuestras  retinas. Al igual que las lentes de cristal funcionan porque la luz se ralentiza cuando las atraviesan. Pero, ¿por qué ocurre eso?. Porque la luz es absorbida por los átomos de cristal que la vuelven a irradiar a continuación, de manera que existe un retardo. La luz golpea un átomo que vibra y entonces reenvía la luz, de ahí viene el retardo. Este retardo también hace que la luz se curve cuando encuentra un cristal en forma de lente. Si se curva de forma adecuada la luz puede ser enfocada, recogida y ampliada. Para los astrónomos nada puede ser más importante. Menos mal que la luz se ralentiza cuando pasa a través del cristal, porque esa es la razón de que poseamos telescopios. Los tenemos gracias a que la luz se curva cuando atraviesa el cristal, así podemos concentrar grandes cantidades de luz en un solo punto y eso nos permite contemplar las lejanas maravillas del Universo. La luz pasa a través de la lente del telescopio a 200000 km/s, 2/3 de su velocidad en el vacío.

Aún nos enfrentamos a la velocidad de la luz como un muro impenetrable. Una velocidad que según Einstein nunca podrá ser rebasada. Sin embargo la Historia está llena de imposibles que se hicieron realidad. Por ejemplo, ¿seremos capaces de alcanzar las estrellas en naves que viajen más rápidas que la velocidad de la luz? Y si es así, ¿cuándo?

 

 

 

 

Esa es la idea básica del concepto de  “Agujero de gusano”, plegar el espacio sobre sí mismo y tomar un atajo a través del Universo. Hoy, naturalmente, esta idea pertenece aún al ámbito de la ciencia ficción. ¿Pero que aspecto tendría una máquina de agujeros de gusano? Probablemente sería enorme y su equipamiento podría estar situado sobre un gran número de asteroides, dispuestos sobre una esfera gigantesca. Una gran batería de rayos láser concentraría una enorme cantidad de energía sobre un solo punto. Habría que alcanzar una temperatura increíble con el fin de abrir un agujero, una burbuja o puerta que quizás nos llevase a otra parte del  Universo.
                            Nave interestelar de ficción
       
Otra estrategia diferente que nos permitiría viajar por el espacio a mayor velocidad que la luz es el  “Impulso por deformación” que en la literatura de ciencia ficción también se denomina “motor de curvatura”. ¿Qué puede frenar o poner límites a nuestra imaginación.
En realidad, yo estaba hablando de que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa y de que, la velocidad de la luz produce extraños efectos para los objetos que tratan de sobrepasarlas, ?que digo? que tratan de acercarse a ella. Ya lo hemos visto más arriba con los muones que se transforman en otra cosa a medida que la velcoidad de la luz está más cerca de la que ellos llevan.
                                           Hay cuestiones que aún no podemos explicar
También aquí, en nuestro Sol, está presente la famosa ecuación de Einstein, por medio de lo que ella explica, es posible que lñas estrellas brillen en el cielo, que la Tierra tenga la luz y el calor necesarios para la vida y que las plantas puedan realizar su necesaria fotosíntesis.
emilio silvera