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¡Conocer la Naturaleza! No será nada fácil

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

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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 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 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 . 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 , 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 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 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 de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta 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 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 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 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 “” 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 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 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 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 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 que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.

Todas las estructuras del universo 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 . 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 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 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 de constante de estructura fina”

Lederman

 

Este 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 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

 

  1. 1
    Emilio Silvera
    el 13 de marzo del 2014 a las 9:28

    Cuando se estudi la Naturaleza y se descubren sus secretos, no pocas veces, lo que podemos visionar, nos lleva de asombro al mismo tiempo que nos maravilla y fascina lo bien reglado que está todo para que, en función de cada circunstancia, sucedan las cosas con normalidad. Arriba, en la primera imagen, podemos ver como la tensión superficial del agua es más que suficiente para que un pequeño ser vivo se pueda apoyar en la superficie sin que ocurra nada que no deba suceder. Las masas y las medidas son impoprtantes en la Naturaleza y, de ellas, podemos obtener consecuencias y también, sabiduría del mundo que nos rodea.

    Cuando se lee el trabajo aquí expuesto, nos podemos percatar de las maravillas que la física nos enseña. Cuando profundizamos en las cosas, cuando estudiamos a fondo el por qué de éste o aquél fenómeno, descubrimos que hay una respuesta para todo y, simplemente hay que buscarla, aunque no siempre resulte fácil dar con ella.

    Fijáos en el largo camino que la Humanidad ha tenido que recorrer, desde Demócrito de Abdera hasta los físicos modernos como Rutherfod y otros muchos para saber y conocer el átomo en toda su complejidad, para llegar a saber que, a pesar de su pequeñez, un átomo tiene un núcleo que es 1/100.000 veces más pequeño que el átomo en sí, y que, ese núcleo supone el 99% de toda la masa que el átomo contiene. Además, en ese pequeño cubículo, están presentes los nucleones, es decir, los protones y neutrones que no son partículas elementales, sino que, están conformadas por otras más pequeñas llamadas Quarks. Un protón está hecho de 2 quarks up y un quark down, mientras que un Neutrón, está hecho de dos quarks down y un quark up. Pero además, esos Quarks están confinados dentro de los nucleones por otras partículas que son bosones mediadores de la fuerza nuclear fuerte y, su trabajo consiste en que los quaks estén juntos.

    Muchas son las maravillas que la Física nos puede mostrar y, cualquiera de ellas, son dignas de que nos inunde el asombro y nos hagámos preguntas que no sabemnos contestar: Por ejemplo, el Salto cuántico.

    Si un fotón energético viajero llega a un electrón que está dando vueltas alrededor de un átomo, el electrón lo absorbe y gana energía. Calro que dicho suceso tiene consecuencias. Cuando el electrón absorbe el fotón, no sabemos cómo, de inmediato desaparece de la órbita que estaba ocupando pero, de manera simultánea, aparece en otra órbita más energética sin haber recorrido la distancia que separabas a ambas. ¿Por dónde hizo el viaje el electrón? ¡Nadie lo sabe!

    Cosas así te hacen cabilar y pensar en cosas como, la teletransportación, y, nos hace imaginar que, si pudiéramos descubrir la manera en que el fenómeno se produce, lo podríamos aprovechar para reproducirlo en beneficio propio y conseguir la manera de hacer viajes sin tener que “recorrer físicamente” las grandes distancias.

    Estaría bien que, teniendo que dar una conferencia en Sydney a las 12 de la mañana, me arregle y desayune en un Hotel en Madrid, en el que, a las 11,30 h., entro en una cabina, marco unas cooordenadas y ¡Plaf! El interior del rceptáculo se ilumina y, cuando la luz se apaga, la cabina está vacía. En otra cabina similar en Australia, esa luz cegadora inunda el lugar y, cuando desaparece, allí estaré yo, dipuesto a dar la charla en la hora fijada.

    ¿Llegará eso alguna vez?

    Bueno, de momento, lo que tenemos que hacer es seguir tratando de saber. La física y las matemáticas es un buen camino para poder desvelar secretos que la Naturaleza celosamente esconde. ¡Sigamos pues investigando!

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