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La rotación de las partículas y otros temas de física

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (12)

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Momento angular de una partícula

Si hablamos de las partículas no podemos dejar a un lado el tema del movimiento rotatorio de las mismas. Usualmente se ve cómo la partícula gira sobre su eje, a semejanza de un trompo, o como la Tierra o el Sol, o nuestra galaxia o, si se me permite decirlo, como el propio universo. En 1.925, los físicos holandeses George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit aludieron por primera vez a esa rotación de las partículas.

Movimiento de una carga puntual en un campo magnético.

 Los campos magnéticos no realizan trabajo sobre las partículas y no modifican su energía cinética. Veamos la imagen. cabe notar en la imagen que la fuerza magnética es perpendicular a la velocidad de la partícula haciendo que se mueva en una órbita circular. La fuerza magnética proporciona la fuerza centrípeta necesaria para que la partícula adquiera la aceleración v2 /r del movimiento circular.


Las partículas al girar, generan un minúsculo campo electromagnético; tales campos han sido objeto de medidas y exploraciones, principalmente por parte del físico alemán Otto Stern y el físico norteamericano Isaac Rabi, quienes recibieron los premios Nobel de Física en 1.943 y 1.944 respectivamente, por sus trabajos sobre dicho fenómeno.

Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en números mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1.926, por Fermi y Dirac; por ello, se las llama y conoce como estadísticas Fermi-dirac. Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son bosones, como por ejemplo la partícula alfa.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de esta teoría en vez de los de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados. La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son bosones, que tienden a juntarse.

Los bosones tienen un momento angular nh/2π, donde n es 0 o un entero, y h es la constante de Planck. Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n + ½)h / 2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica. La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos, la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Debido al principio de exclusión de Pauli, no es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10-7 K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos dorman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

                                                    Un condensado de Bose-Einstein

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo forma  un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E = mc2), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es materia. La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en  definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

                                             Todo lo que rota crea un campo magnético

Sea como fuere, la rotación del neutrón nos da la respuesta a esas preguntas:

¿Qué es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo. En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos.

Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la antimateria, de la misma forma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un antideuterón. Desde entonces se ha producido el antihelio 3, y no cabe duda de que se podría crear otros antinúcleos más complicados aún si se abordara el problema con más interés.

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Cualquier imagen que imaginemos podemos decir que es la anti-materia pero…

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el universo? Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro. Así pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, para tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

No parece que dichas observaciones fuesen un éxito. ¿Es posible que el universo esté formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? Dado que la materia y la antimateria son equivalente en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaría la otra, y el universo debería estar compuesto de iguales cantidades de la una y de la otra.

Este es el dilema. La teoría nos dice que debería haber allí antimateria, pero las observaciones lo niegan, no lo respaldan. ¿Es la observación la que falla? ¿Y qué ocurre con los núcleos de las galaxias activas, e incluso más aún, con los quásares? ¿Deberían ser estos fenómenos energéticos el resultado de una aniquilación materia-antimateria? ¡No creo! Ni siquiera ese aniquilamiento parece ser suficiente, y los astrónomos prefieren aceptar la noción de colapso gravitatorio y fenómenos de agujeros negros, como el único mecanismo conocido para producir la energía requerida.

La materia normal como la conocemos, está compuesta de átomos, las distintas organizaciones de distintos átomos forman todos los tipos de moléculas y estos a su vez la materia. Estos átomos están compuestos por electrones, protones y neutrones, los elementos más pequeños conocidos (eso sin contar los quarks y demás). Ahora bien, la antimateria se compone del mismo modo, con algo llamado anti-átomos, que están constituidos por antielectrones (también llamados positrones), antiprotones y antineutrones. (Dirac, predijo el positrón que, poco después fue descubierto)-

Con esto de la antimateria me ocurre igual que con el hecho, algunas veces planteado, de la composición de la materia en lugares lejanos del universo. “Ha caído una nave extraterrestre y nuestros científicos han comprobado que está hecha de un material desconocido, casi indestructible”. Este comentario se ha podido oír en alguna película de ciencia ficción. Podría ser verdad (un material desconocido), sin embargo, no porque la nave esté construida por una materia distinta, sino porque la aleación es distinta y más avanzada a partir de los materiales conocidos del universo. En cualquier parte del universo, por muy lejana que pueda estar, rigen los mismos principios y las mismas fuerzas: la materia y la energía son las mismas en cualquier parte. Lo único que puede diferir es la forma en que se utilice, el tratamiento que se le pueda dar, y sobre todo, el poseer el conocimiento y la tecnología necesarios para poder obtener el máximo resultado de las propiedades que dicha materia encierra, porque, en última instancia, ¿es en verdad inerte la materia?

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún a años luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar. Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos, pero que tampoco sabemos, en realidad, a qué son debidas. Sí, sabemos ponerles etiquetas como la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio, y con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta. En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de su ruptura, sobrepasando a la emisión de partículas alfa. ¡Parece que la materia está viva! Son muchas las cosas que desconocemos, y nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o el antineutrón), y por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega leptos, que dignifica “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1.940), el problema de su estructura, si la hay, aún no está resuelto. Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9’1093897 (54) × 10-31 Kg la primera, y 1’60217733 (49) × 10-19 culombios la segunda, y también su radio clásico r0 igual a e2/(mc2) = 2’82 × 10-13 cm. No se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos masiva que el electrón (o positrón) y que lleve una carga eléctrica, sea la que fuese (sabemos cómo actúa y cómo medir sus propiedades, pero aún no sabemos qué es), que tenga asociada un mínimo de masa.

Lo cierto es que el electrón es una maravilla en sí mismo. El universo no sería como lo conocemos si el electrón fuese distinto a como es; bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

Aquí, un electrón e desviado por el campo eléctrico de un núcleo atómico produce prenorradiación. El cambio de energía E2 − E1 determina la fecuencia f del fotón emitido. ¡No por pequeño se el insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. En realidad, existen partículas que no tiene asociada ninguna masa en absoluto, es decir, ninguna masa en reposo. Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnética se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones). Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda, se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín). La única forma de que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este término se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula tau, con sus correspondiente neutrinos: υe, υμ y υτ.

Existen razones teóricas para suponer que cuando  las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitaciones. Esas ondas pueden, así mismo, poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La forma gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética. Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/1039 de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón, y por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

Parece que los tenemos a todos bien localizados pero… ¿Dónde está el Gravitón?

    Seguramente riéndose de nuestra ignorancia

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón. Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm de longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío. Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas) desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegase a captar la cienbillonésima parte de un centímetro. Las débiles ondas de los gravitones, que proceden del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea. En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitacionales. Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general). Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaron el hallazgo de Weber.

En cualquier caso, no creo que a estas alturas alguien pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria. La masa del gravitón es 0, su carga es 0, y su espín es 2. Como el fotón, no tiene antipartícula; ellos mismos hacen las dos versiones.

emilio silvera

 

  1. 1
    Fandila Soria
    el 12 de junio del 2016 a las 16:52

    La suma de las cargas de los quarks que forman el neutrón casi es nula. La de sus momentos de spin (Magnetismo) no
    La suma de cargas es simplemente aritmética pero las direcciones magnéticas-quarks son distintas en cada instante, la suma de sus valores es una suma vectorial que difiere de la aritmética según el ángulo. Por eso el magnetismo del neutrón no es nulo sino de un valor determinado.
     

    Responder
  2. 2
    Fandila Soria
    el 13 de junio del 2016 a las 8:45

    Un apunte sobre lo “oscuro”:
    La materia normal la que normalmente percibimos no es sino una concentración de partículas y elementos según unos sistemas naturales de evolución, en que surgen lo que llamamos fuerzas como la relación entre dimensiones mayores y menores que se apoyan según las formas ondulatorias universales…
    Los elementos que podemos detectar no son sino una modificación del “vacío”. Como si dijéramos condensaciones de un uniforme y denso “vacío”, aglomeraciones en él mismo. El “vacío” que no podemos ver porque nosotros ya somos vacío mayor y nuestra dimensión no casa, lejos de esa dimensión modificada, que apenas sí influye en nuestro movimiento (Inercia-masa). Movernos en el “vacío” pese a tan alta densidad (Y no no nos referimos a la densidad de Universo macro que se estima,que va por otros derroteros) es algo parecido, solo parecido, a como se mueve el pez en el agua o nosotros en el aire.
    Si somos unas concentraciones del “vacío”, que de vacío no tiene nada, como se demuestra por tantos hechos experientales, nuestra dimensión material nos impide “ver” por ahora de que se compone lo que no vemos: lo oscuro, pues el vehículo más fino a la mano es el fotón que podemos emplear (¿Hasta donde los aceleradores?). Sin embargo si que podemos ver lo que “pasa” o se desenvuelve a traves de lo oscuro si es comparable con nuestra dimensión y nuestros instrumentos solo se aunque solo se valgan de lo macro.
     
    Esta tardanza en experimentar y detectar fehacientemente lo oscuro no es nada desde que se vislumbró su existencia.
    La lógica del átomo o elemento menor, tardó en “visualizarse”, que se sepa, al menos 2500 años. Ya hubo teorías sobre el átomo y la combinación de elementos en la antigua India, pasando por griegos y demás pueblos hasta teorías más fundamentadas con el advenimiento y perfección  de las técnicas. Lo cierto es que esa lógica milenaria tuvo su fruto. No será menos problemático lo oscuro en tal sentido.
     

    Responder
  3. 3
    Fandila Soria
    el 15 de junio del 2016 a las 21:56

     
    El gravitón que yo conozco según la T. de Cuerdas es mucho menor que el fotón. Poseyendo una masa del orden de 10^^-69. Detectar este gravitón mayor es tan problemático como hacerlo con los elementos oscuros, lo que el gravitón es.
    La única forma de que el gravitón afecte a cualquier dimensión será que sus propias dimensiones sean variables, y posean el tamaño propicio para que puedan intraccionar con ellas. Pensar que la masa emita los gravitones es ilógico.
    Saludos amigo Emilio y demás contertulios.

    Responder
    • 3.1
      Emilio Silvera
      el 16 de junio del 2016 a las 11:22

      Amigo Fandila, como sabes, el Gravitón es esquivo y misterioso y, no zon pocos los que andas detrás de él. Seguramente, el lo que logre encontrar, se ganará el Nobel de Física.
      Todo lo que concierne a esa fuerza misteriosa que llamamos Gravedad, está lleno de zonas oscuras que no acabamos de saber alumbrar, Posiblemente, cuando sepamos más de las Cuerdad (en las que dicen que subyace una Teoría cuántica de la Gravedad, entonces, sabremos más de todo esto), cuando podamos llegar tan lejos como para poder contemplarlas vibrando en un Universo lleno de ellas, entonces, y sólo entonces, sabremos del gravitón, tan minúsculo que no se deja ver.
      Un abrazo.

      Responder
      • 3.1.1
        Fandila Soria
        el 16 de junio del 2016 a las 23:13

        No se entiende que las cuerdas como elementos individuales y primeros puedan vibrar. ¿Cueles son las causas para tal cualidad?
        Otra cosa es la oscilación ondulante de cualquier partícula. que aunque lo parezca no es lo mismo.
        La oscilación de la onda corpúsculo u onda partícula tiene su origen en la multiplicidad, en el ingente número de elementos que interaccionan entre sí, por el Universo ilimitado en cualquier punto, de tal forma que la gran cantidad de elementos emergentes en la expansión, que con ella se mueven según trayectorias siempre curvas en distintos grados, son movimientos que se desdoblan, asimilables unos con el enroque en su consiguiente giro (Movimiento Curvo) y otro con un enroque de radio tan inmenso que se puede considerar como movimiento rectilineo, pero no lo es.
        Como digo ¿Cómo algo, supongo que único e individual (Hecho de espacio tiempo, conceptual, según nos dicen) puede vibrar por las buenas cuando el movimiento no es dirigido en primera instancia?
        Esto no significa que la Teoría no pueda ser válida, pero las suposiciones para su inicio, pienso que no son acertadas. Y son válidas porque el resultado será equivalente. Según para qué.
        Muy interesante ese artículo sobre T. de Cuerdas, Emilio.

        Responder
        • 3.1.1.1
          Emilio Silvera
          el 18 de junio del 2016 a las 6:23

          Amigo Fandila, como te dice Kike más arriba, la complejidad de las cosas (del Universo), es tan grande que sólo hemos a comprender pequeñas parcelas, y, poco a poco, las podemos ir uniendo para comprender el todo que, de momento, se nos va. Tener una perspectiva completa. lograr ese conocimiento integral, nos llevará tiempo. Es aTeoría del Todo que desesperadamente buscan algunos… ¡Tardará!

          Un abrazo.

  4. 4
    kike
    el 16 de junio del 2016 a las 7:04

    Pues acaban de detectar por segunda vez ondas gravitacionales en el LIGO; entiendo que un gravitón individual sea indetectable, pero las ondas que producen los agujeros negros deben ser masivas, por lo que se pueden detectar.

     Saludos paisano.
     Saludos y un Abrazo Maese. 

    Responder
    • 4.1
      Emilio Silvera
      el 16 de junio del 2016 a las 11:24

      ¡Hola, amigo Kike!

      Lo que sí es cierto es, como nos dejó dicho Hilbert… ¡Que sabremos!

      Claro que habrá que esperar … un poco.

      Un abrazo amigo.

      Responder
  5. 5
    kike
    el 16 de junio del 2016 a las 7:09

    Bueno, en realidad las ondas detectadas han sido aun más masivas si cabe, pues son las resultantes de la colisión de dos agujeros negros.

    Responder
  6. 6
    Fandila Soria
    el 16 de junio del 2016 a las 15:58

     
    Las teorías no experimentales solo pueden ser dignas de crédito si aplicadas a las teorías ya experimentadas casan con ellas a la perfección, es decir sin fisuras fundamenales, e incluso habrán de ser “detallistas”. Desgraciadamente todas las teorías experimentales o experimentables poseen lagunas o montes insalvables derivadas de hipótesis no demostradas. Un handicap a superar cuando alguien o algunos sean capaces de teorizar globalmente.
    Desde luego que si no se extrapola de alguna manera, todos somos conscientes de que nunca llegaremos a saberlo todo ni conocerlo. No hay límites concretos y esa es la grandiosidad de lo que existe. Nuestros márgenes dimensionales son muy “provincianos”, o demasiado “localistas”. Y nuestras capacidades en cualquier sentido solo son evolucionantes.
    Saludos amigos.

    Responder
    • 6.1
      kike
      el 16 de junio del 2016 a las 19:45

      Si, existen ya demasiadas hipótesis no demostradas; he leido que un premio Nobel ha comentado que pronto los científicos serán realmente filósofos; y no le falta razón.

      Responder
  7. 7
    Fandila Soria
    el 16 de junio del 2016 a las 16:12

    Decir que la masa no emite gravitones sino ondas quere decir que esos supuestos gravitones que conformen las ondas son formadas por éstas en el vacío, como otros bosones. Ninguna masa y menos aún el agujero negro puede emitir tanta energía como para mantener la gravedad. Ese proceso perpétuo solo podrá dase para partículas no ligadas, libres y de elementos libres. Lo que daría para mucha explicación (Su expansión continua e ilimitada desde su interior material).

    Responder

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