IMPRESIÓN NO PERMITIDA - TEXTO SUJETO A DERECHOS DE AUTOR
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La cuántica fácil
Física global
Inteligencia extrema
Cosmología no convencional
Modelo Cosmológico 2017
Monopolos Gravitacionales
Física del Todo
Física del Todo. Capítulo 33
Inocentes como ellos
J E N A R O
La caverna
Los inciertos frutos
Tres cuentos y uno más
Un artístico triángulo
Agujeros Negros, origen y dinámica relativista
Fase de ruptura ambiental
Procedimiento FRP
Folleto oficial de FRPV
Alerta de calentamiento global
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por Emilio Silvera ~
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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.
La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:
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).
Posiblemente, si tenemos el tiempo necesario para ello, al final encontraremos el camino para poder “burlar” (que no superar) la velocidad de la luz en el vacío, y, de esa manera podremos, finalmente, ir a otros mundos allí fuera, en las estrellas.
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.
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.
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.
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.
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?
por Emilio Silvera ~
Clasificado en Física ~
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Cuando me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, etc.
Pensemos por ejemplo que un átomo tiene aproximadamente 10-8 centímetros de diámetro. En los sólidos y líquidos ordinarios los átomos están muy juntos, casi en contacto mutuo. La densidad de los sólidos y líquidos ordinarios depende por tanto del tamaño exacto de los átomos, del grado de empaquetamiento y del peso de los distintos átomos.
De los sólidos ordinarios, el menos denso es el hidrógeno solidificado, con una densidad de 0’076 gramos por cm3. El más denso es un metal raro, el osmio, con una densidad de 22’48 gramos/cm3.
Si los átomos fuesen bolas macizas e incompresibles, el osmio sería el material más denso posible, y un centímetro cúbico de materia jamás podría pesar ni un kilogramo, y mucho menos toneladas.
Pero los átomos no son macizos. El físico neozelandés experimentador por excelencia, Ernest Ruthertord, demostró en 1.909 que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío. La corteza exterior de los átomos contiene sólo electrones ligerísimos, mientras que el 99’9% de la masa del átomo está concentrada en una estructura diminuta situada en el centro: el núcleo atómico.
El núcleo atómico tiene un diámetro de unos 10-15 cm. (aproximadamente 1/100.000 del propio átomo). Si los átomos de una esfera de materia se pudieran estrujar hasta el punto de desplazar todos los electrones y dejar a los núcleos atómicos en contacto mutuo, el diámetro de la esfera disminuiría hasta un nivel de 1/100.000 de su tamaño original.
De manera análoga, si se pudiera comprimir la Tierra hasta dejarla reducida a un balón de núcleos atómicos, toda su materia quedaría reducida a una esfera de unos 130 metros de diámetro. En esas mismas condiciones, el Sol mediría 13’7 km. de diámetro en lugar de los 1.392.530 km. que realmente mide. Y si pudiéramos convertir toda la materia conocida del universo en núcleos atómicos en contacto, obtendríamos una esfera de sólo algunos cientos de miles de km. de diámetro, que cabría cómodamente dentro del cinturón de asteroides del Sistema Solar.
El calor y la presión que reinan en el centro de las estrellas rompen la estructura atómica y permiten que los núcleos atómicos empiecen a empaquetarse unos junto a otros. Las densidades en el centro del Sol son mucho más altas que la del osmio, pero como los núcleos atómicos se mueven de un lado a otros sin impedimento alguno, el material sigue siendo un gas. Hay estrellas que se componen casi por entero de tales átomos destrozados. La compañera de la estrella Sirio es una “enana blanca” no mayor que el planeta Urano, y sin embargo tiene una masa parecida a la del Sol.
Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. Ya hemos dicho antes que todos los protones tienen carga eléctrica positiva y se repelen entre sí, de modo que en un lugar dado no se pueden reunir más de un centenar de ellos. Los neutrones, por el contrario, no tienen carga eléctrica y en condiciones adecuadas pueden estar juntos y empaquetados un enorme número de ellos para formar una “estrella de neutrones”. Los púlsares, según se cree, son estrellas de neutrones en rápida rotación.
Estas estrellas se forman cuando las estrellas de 2 – 3 masas solares, agotado el combustible nuclear, no pueden continuar fusionando el hidrógeno en helio, el helio en oxígeno, el oxigeno en carbono, etc, y explotan en supernovas. Las capas exteriores se volatilizan y son expulsados al espacio; el resto de la estrella (su mayor parte), al quedar a merced de la fuerza gravitatoria, es literalmente aplastada bajo su propio peso hasta tal punto que los electrones se funden con los protones y se forman neutrones que se comprimen de manera increíble hasta que se degeneran y emiten una fuerza que contrarresta la gravedad, quedándose estabilizada como estrella de neutrones.
Si el Sol se convirtiera en una estrella de neutrones, toda su masa quedaría concentrada en una pelota cuyo diámetro sería de 1/100.000 del actual, y su volumen (1/100.000)3, o lo que es lo mismo 1/1.000.000.000.000.000 (una milmillonésima) del actual. Su densidad sería, por tanto, 1.000.000.000.000.000 (mil billones) de veces superior a la que tiene ahora.
La densidad global del Sol hoy día es de 1’4 gramos/cm3. Una estrella de neutrones a partir del Sol tendría una densidad que se reflejaría mediante 1.400.000.000.000.000 gramos por cm3. Es decir, un centímetro cúbico de una estrella de neutrones puede llegar a pesar 1.400.000.000 (mil cuatrocientos millones de toneladas). ¡Qué barbaridad!
Objetos como estos pueblan el universo, e incluso más sorprendentes todavía, como es el caso de los agujeros negros explicado en páginas anteriores de este mismo trabajo.
Cuando hablamos de las cosas del universo estamos hablando de cosas muy grandes. Cualquiera se podría preguntar, por ejemplo: ¿hasta cuándo podrá mantener el Sol la vida en la Tierra?
Está claro que podrá hacerlo mientras radie energía y nos envíe luz y calor que la haga posible tal como la conocemos.
Como ya explicamos antes, la radiación del Sol proviene de la fusión del hidrógeno en helio. Para producir la radiación vertida por el sol se necesita una cantidad ingente de fusión: cada segundo tienen que fusionarse 654.600.000 toneladas de hidrógeno en 650.000.000 toneladas de helio (las 4.600.000 toneladas restantes se convierten en energía de radiación y las pierde el Sol para siempre. La ínfima porción de esta energía que incide sobre la Tierra basta para mantener toda la vida en nuestro planeta).
Nadie diría que con este consumo tan alto de hidrógeno por segundo, el Sol pudiera durar mucho tiempo, pero es que ese cálculo no tiene en cuenta el enorme tamaño del Sol. Su masa totaliza 2.200.000.000.000.000. 000.000.000.000 (más de dos mil cuatrillones) de toneladas. Un 53% de esta masa es hidrógeno, lo cual significa que el Sol contiene en la actualidad una cantidad de 1.166.000.000.000.000.000.0000.0000.000 toneladas.
Para completar datos diré que el resto de la masa del Sol es casi todo helio. Menos del 0’1 por 100 de su masa está constituido por átomos más complicados que el helio. El helio es más compacto que el hidrógeno. En condiciones idénticas, un número dado de átomos de helio tiene una masa cuatro veces mayor el mismo número de átomos de hidrógeno. O dicho de otra manera: una masa dada de helio ocupa menos espacio que la misma masa de hidrógeno. En función del volumen –el espacio ocupado–, el Sol es hidrógeno en un 80 por ciento.
El Proceso de Fusión del Hidrógeno. En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. … En realidad existen electrones, neutrinos y fotones involucrados en esta historia que hacen posible la fusión de Hidrógeno hacia helio .
Si suponemos que el Sol fue en origen todo hidrógeno, que siempre ha convertido hidrógeno en helio al ritmo dicho de 654 millones de toneladas por segundo y que lo seguirá haciendo hasta el final, se calcula que ha estado radiando desde hace unos 4.000 millones de años y que seguirá haciéndolo durante otros cinco mil millones de años más.
Pero las cosas no son tan simples. El Sol es una estrella de segunda generación, constituida a partir de gas y polvo cósmico desperdigado por estrellas que se habían quemado y explotado miles de millones de años atrás. Así pues, la materia prima del Sol contenía ya mucho helio desde el principio, lo que nos lleva a pensar que el final puede estar algo más cercano.
Por otra parte, el Sol no continuará radiando exactamente al mismo ritmo que ahora. El hidrógeno y el helio no están perfectamente entremezclados. El helio está concentrado en el núcleo central y la reacción de fusión se produce en la superficie del núcleo.
A medida que el Sol siga radiando, irá adquiriendo una masa cada vez mayor ese núcleo de helio y la temperatura en el centro aumentará. En última instancia, la temperatura sube lo suficiente como para transformar los átomos de helio en átomos más complicados. Hasta entonces el Sol radiará más o menos como ahora, pero una vez que comience la fusión del helio, empezará a expandirse y a convertirse poco a poco en una gigante roja. El calor se hará insoportable en la Tierra, los océanos se evaporarán y el planeta dejará de albergar vida en la forma que la conocemos.
La esfera del Sol, antes de explotar para convertirse en una enana blanca, aumentará engullendo a Mercurio y a Venus y quedará cerca del planeta Tierra, que para entonces será un planeta yermo.
Los astrónomos estiman que el Sol entrará en esta nueva fase en unos 5 ó 6 mil millones de años. Así que el tiempo que nos queda por delante es como para no alarmarse todavía. Sin embargo, el no pensar en ello… no parece conveniente.
Espero que al lector de este trabajo, encargado por la Asociación Cultural “Amigos de la Física 137, e/hc”, les esté entreteniendo y sobre todo interesando los temas que aquí hemos tratado, siempre con las miras puestas en difundir el conocimiento científico de temas de la naturaleza como la astronomía y la física. Tratamos de elegir temas de interés y aquellos que han llamado la atención del público en general, explicándolos y respondiendo a preguntas que seguramente les gustaría conocer, tales como: ¿por qué la Luna muestra siempre la misma cara hacia la Tierra?
La atracción gravitatoria de la Luna sobre la Tierra hace subir el nivel de los océanos a ambos lados de nuestro planeta y crea así dos abultamientos. A medida que la Tierra gira de oeste a este, estos dos bultos – de los cuales uno mira hacia la Luna y el otro en dirección contraria – se desplazan de este a oeste alrededor de la Tierra.
Al efectuar este desplazamiento, los dos bultos rozan contra el fondo de los mares poco profundos, como el de Bering o el de Irlanda. Tal rozamiento convierte energía de rotación en calor, y este consumo de la energía de rotación terrestre hace que el movimiento de rotación de la Tierra alrededor de su eje vaya disminuyendo poco a poco. Las mareas actúan como freno sobre la rotación de la Tierra, y como consecuencia de ello, los días terrestres se van alargando un segundo cada mil años.
Pero no es sólo el agua del océano lo que sube de nivel en respuesta a la gravedad lunar. La corteza sólida de la Tierra también acusa el efecto, aunque en medida menos notable. El resultado son dos pequeños abultamientos rocosos que van girando alrededor de la Tierra, el uno mirando hacia la Luna y el otro en la cara opuesta de nuestro planeta. Durante ese desplazamiento, el rozamiento de una capa rocosa contra otra va minando también la energía de rotación terrestre. (Los bultos, claro está, no se mueven físicamente alrededor del planeta, sino que a medida que el planeta gira, remiten en un lugar y se forman en otro, según qué porciones de la superficie pasen por debajo de la Luna y sean atraídas por su fuerza de gravedad).
La Luna no tiene mares ni mareas en el sentido corriente. Sin embargo, la corteza sólida de la luna acusa la fuerte atracción gravitacional de la Tierra, y no hay que olvidar que ésta es 80 veces más grande que la Luna. El abultamiento provocado en la superficie lunar es mucho mayor que el de la superficie terrestre. Por tanto, si la Luna rotase en un periodo de 24 horas, estaría sometida a un rozamiento muchísimo mayor que la Tierra. Además, como nuestro satélite tiene una masa mucho menor que la Tierra, su energía total de rotación sería, ya de entrada, para periodos de rotación iguales, mucho menor.
Así pues, la Luna, con una reserva inicial de energía muy pequeña, socavada rápidamente por los grandes bultos provocados por la Tierra, tuvo que sufrir una disminución relativamente rápida de su periodo de rotación. Hace seguramente muchos millones de años debió de decelerarse hasta el punto de que el día lunar se igualó con el mes lunar. De ahí en adelante, la Luna siempre mostraría la misma cara hacia el planeta Tierra.
Esto, a su vez, congela los abultamientos en un aposición fija. Unos de ellos miran hacia la Tierra desde el centro mismo de la cara lunar que nosotros vemos, mientras que el otro está apuntando en dirección contraria desde el centro mismo de la cara lunar que no podemos ver. Puesto que las dos caras no cambian de posición a medida que la Luna gira alrededor de la Tierra, los bultos no experimentan ningún nuevo cambio ni tampoco se produce rozamiento alguno que altere el periodo de rotación del satélite. La luna continuará mostrándonos la misma cara indefinidamente; lo cual, como veis, no es ninguna coincidencia, sino la consecuencia inevitable de la gravitación y del rozamiento.
La Luna es un caso relativamente simple. En ciertas condiciones, el rozamiento debido a las mareas puede dar lugar a condiciones de estabilidad más complicadas.
Durante unos ochenta años, por ejemplo, se pensó que Mercurio (el planeta más cercan al Sol y el más afectado por la fuerza gravitatoria solar) ofrecía siempre la misma cara al Sol, por el mismo motivo que la Luna ofrece siempre la misma cara a la Tierra. Pero se ha comprobado que, en el caso de este planeta, los efectos del rozamiento producen un periodo estable de rotación de 58 días, que es justamente dos tercios de los 88 días que constituyen el período de revolución de Mercurio alrededor del Sol.
Hay tantas cosas que aprender que el corto tiempo que se nos permite estar aquí es totalmente insuficiente para conocer todo lo que nos gustaría. ¿Hay algo más penoso que la ignorancia?
Continuemos pues aprendiendo cosas nuevas.
En la página 283 dejé una reseña de lo que se entiende por entropía y así sabemos que la energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.
El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial del que mana en lo alto de la montaña y menos energía en el llano en la desembocadura, donde fluye suave y tranquila. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar (si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad).
Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.
Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquella.
El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.
Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si colocamos un objeto caliente junto a otro frío, el calor fluye de manera que se transmite del caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas de ambos cuerpos. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualen y la energía gravitatoria quede distribuida uniformemente.
Clausius afirmó, por tanto, que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O dicho de otra manera: que la entropía aumenta con el tiempo.
El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de “termodinámica”, que en griego significa “movimiento de calor”.
Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión de que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina “primer principio de la termodinámica”.
La idea sugerida por Clausius de que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y que denomina “segundo principio de la termodinámica.”
Según este segundo principio, la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van despareciendo. Cuando todas las diferencias en la concentración de energía se han igualado por completo, no se puede extraer más trabajo, ni pueden producirse cambios.
¿Está degradándose el universo?
emilio silvera
Recopilado de distintas fuentes, especialmente de Isaac ASimov
por Emilio Silvera ~
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ABC- NOTICIAS DE CIENCIA
S. Hawking tenía razón: Los agujeros negros se evaporan
Un equipo de investigadores del Instituto Technion de Tecnología de Israel, dirigidos por el físico Jeff Steinhauer, acaba de publicar en Nature un artículo en el que se demuestra, por primera vez, la veracidad de la predicción que Stephen Hawking hizo en 1974: que los agujeros negros se evaporan a lo largo del tiempo hasta desaparecer por completo.
Según la teoría del genial físico británico, en efecto, los agujeros negros no son, a pesar de su sugestivo nombre, totalmente negros, sino que emiten partículas, una tenue radiación que, en su honor, fue bautizada como radiación Hawking y que extrae lentamente energía del agujero negro hasta dejarlo exhausto. Casi desde el principio, la idea de Hawking fue dada por buena por la inmensa mayoría de los científicos, aunque por el momento ha resultado imposible de probar. Algo que sí han conseguido Jeff Steinhauer y sus colegas.
“Un agujero negro emite radiación como un cuerpo caliente a la temperatura de Hawking. Si su valor es muy alto, la radiación de Hawking consiste en partículas de todo tipo (fotones, gravitones, bosones vectoriales, bosones de Higgs, leptones y hadrones), pero si su valor es “bajo” solo emite fotones y gravitones.”
En un experimento de laboratorio, en efecto, este equipo de físicos ha logrado “ver” a la radiación Hawking en acción, cosa que nuestra tecnología no permite aún hacer directamente en el espacio, con agujeros negros reales. Para conseguirlo, los investigadores “fabricaron” un agujero negro virtual utilizando ondas de sonido y algunas de las formas de materia más extrañas y frías del Universo.
“La imagen de un par partícula-antipartícula en el entorno del agujero negro fue introducida por Hawking, pero no se puede olvidar que la longitud de onda más probable de estas partículas es comparable al radio de Schwarschild. Por tanto, no tiene sentido imaginar las partículas como “pequeñas bolitas” cerca den un horizonte de sucesos enorme (como se muestra en esta figura). Las partículas tienen una longitud de onda λ tan grande como el agujero negro y se separan una distancia similar a λ, evitando aniquilarse entresí gracias a las fuerzas de marea gravitatorias.”
Los agujeros negros ejercen una gravedad tan fuerte que incluso los fotones (las partículas de las que está hecha la luz) no consiguen escapar cuando son capturados. Por otro lado, la Mecánica cuántica nos dice que lo que nosotros conocemos como “vacío espacial” es, en realidad, un auténtico hervidero de “partículas virtuales” que entran y salen de la existencia en pares de materia y antimateria.
Normalmente, y casi nada más aparecer, estas parejas de partículas virtuales se aniquilan unas a otras. Pero en la frontera de un agujero negro, donde la gravedad es extrema, puede suceder que esos pares de partículas se separen, una absorbida por el agujero, la otra lanzada a toda velocidad al espacio. La partícula que es absorbida tiene energía negativa, lo que reduce tanto la energía como la masa del agujero. Por eso, cuantas más de estas partículas absorba el agujero negro, más energía perderá, hasta el punto de llegar a evaporarse por completo. Las partículas “fugitivas”, por su parte, son lo que conocemos como radiación Hawking.
En un agujero negro real, la radiación Hawking es tan débil que nadie ha conseguido medirla. Por eso, desde hace años se buscaba la forma de observarla en laboratorio. Y ahora, Steinhauer y su equipo lo han conseguido.
En su experimento, los investigadores utilizaron lo que se conoce como “condensado Bose-Einstein”, una forma de gas extremadamente frío, para imitar el horizonte de sucesos de un agujero negro, la frontera invisible que, una vez atravesada, no permite que nada pueda regresar. En medio del gas, colocaron después un obstáculo, una especie de “acantilado” que obligaba al gas a caer en forma de cascada, convirtiendo así una cantidad suficiente de energía potencial en energía cinética como para que el gas fluyera a una velocidad mayor que la del sonido.
Vibraciones cristalinas de fonones
Después, y en lugar de pares de partículas materia-antimateria, los físicos utilizaron parejas de fonones, u ondas de sonido cuántico, inmersas en el flujo de gas. El fonón que se quedaba en el lado “lento” conseguía viajar en contra del flujo de gas, alejándose de la cascada, mientras que su pareja, el fonón del lado “rápido”, quedaba inevitablemente atrapado por la cascada, el “agujero negro” de gas a velocidad supersónica.
Según ha explicado el propio Steinhauer a la revista Live Science, “es como si trataras de ir contra una corriente que fluye más rápido de lo que puedes nadar. Sentirías que estás avanzando, pero en realidad vas hacia atrás. Y eso es análogo a lo que le sucede a un fotón que intenta salir de un agujero negro, pero al que la gravedad hace ir en dirección contraria”.
Stephen Hawking predijo que la radiación de las partículas emitidas por el agujero negro permanecería en un espectro continuo de longitudes de onda y energías. Y dijo también que sería posible describir el fenómeno con una única temperatura, que solo dependía de la cantidad de masa que tuviera el agujero negro. En su experimento, Steinhauer y su equipo lograron confirmar las dos predicciones en el interior del peculiar agujero negro sónico de su laboratorio.
por Emilio Silvera ~
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Según un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), la Tierra pudo ser habitable de forma intermitente. Es decir, que las condiciones adecuadas para albergar organismos complejos pudieron haberse desarrollado en los océanos del joven planeta y luego desvanecerse más de mil millones de años antes de que la vida realmente se afianzara.
por Emilio Silvera ~
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Los cúmulos galácticos Abell 0399 (a la izquierda) y Abell 0401 (a la derecha), están conectados por campos magnéticos, algo nunca visto hasta ahora – DSS, Pan-STARRS1, XMM-Newton, PLANCK satellite, F. Govoni, M. Murgia, INAF, Cjbeards, ASTRON
Hallan un misterioso “puente” de ondas de radio entre dos lejanos cúmulos de galaxias.
Repoetraje de Prenda: José M. Nieves
En el Universo, todo está conectado con todo. La materia tiende a acumularse formando estrellas, que se unen para formar galaxias, que a su vez se agrupan para formar grupos, cúmulos y súper cúmulos de miles y miles de miembros. Pero tampoco los bulliciosos supercúmulos galácticos están aislados unos de otros.
Muy al contrario, todos ellos están conectados por largas “autopistas” de plasma, que recorren las enormes y aparentemente vacías distancias (incluso de cientos de millones de años luz) que hay entre un cúmulo y otro. Esta suerte de “carreteras interespaciales”, que los científicos llaman filamentos, tejen a lo largo y ancho del Universo lo que se conoce como “la telaraña cósmica”, una inmensa red universal donde la materia se concentra en los nodos, y los nodos se unen, como en una telaraña, por medio de los filamentos.
A lo largo de esta red de autopistas universal, un número incontable de electrones circula continuamente casi a la velocidad máxima que la naturaleza permite: 300.000 km/s, la velocidad de la luz. Pero incluso así, las partículas solo son capaces de recorrer una fracción de uno de esos filamentos antes de quedarse sin energía y descomponerse. O por lo menos así es en la mayoría de ocasiones.
Mysterious ‘Bridge’ of Radio Waves Between Galaxies Seems to Be Smashing the Laws of Physics (But It’s Not)
De hecho, un equipo de astrónomos que estudiaba el filamento que une dos cúmulos de galaxias, Abell 0399 y…
Abell 0401, que están además en proceso de colisión, descubrió un extraño flujo de electrones que no cumple esas “reglas de tráfico” espacial. En la “carretera” que une los dos cúmulos, en efecto, los investigadores descubrieron un largo “puente” de emisiones de ondas de radio, creado por partículas cargadas, recorriendo una distancia de 10 millones de años luz. Algo que, sencillamente, no debería existir.
Según explican los científicos en un estudio publicado esta semana en Science, el origen de esta anomalía puede ser un débil pero turbulento campo magnético que se extiende entre los dos cúmulos de galaxias y que actúa como un poderoso acelerador de partículas, con la fuerza suficiente para impulsar a los electrones diez veces más lejos de lo que normalmente serían capaces de viajar. Es la primera vez que se descubre un campo magnético entre dos grupos de galaxias.
Hasta ahora, se habían medido campos magnéticos en objetos específicos, como galaxias o incluso cúmulos, pero nunca a escalas mayores. Según explica Federica Govoni, Del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica, que ha dirigido la investigación, se trata de la primera vez que se observa un campo magnético recorriendo un filamento galáctico, y eso podría cambiar nuestra comprensión de cómo se aceleran las partículas, incluso en distancias increíblemente largas y que no se creían posibles hasta ahora.
“Se trata de un campo magnético muy débil, cerca de un millón de veces más débil que el de la Tierra“, explica Govoni. Pero a pesar de ello puede ser aún lo suficientemente intenso como para emitir ondas de choque capaces de acelerar las partículas a lo largo de distancias increíbles.
A cerca de 1.000 millones de años luz de la Tierra, Abell 0399 y Abell 0401 son dos cúmulos de galaxias vecinos, con cientos de miles de galaxias individuales cada uno. Y se están acercando el uno al otro, de forma que en unos pocos miles de millones de años más ambos chocarán y se fusionarán en un cúmulo mucho más grande. Por ahora, sin embargo, están aún separados por una distancia de 10 millones de años luz, y conectados a través de la anteriormente mencionada “autopista de plasma”.
El “puente” de emisiones de radio entre un cúmulo y otro fue detectado utilizando una red de telescopios llamada LOFAR (Low Frecuency Array). “Esta emisión -escriben los autores en su artículo- requiere de una población de electrones relativistas (que viajen casi a la velocidad de la luz) y de un campo magnético ubicado en un filamento entre los dos grupos de galaxias”.
Para tratar de averiguar cómo debería funcionar este extraño proceso, los científicos llevaron a cabo una serie de simulaciones informáticas. Y descubrieron que incluso un campo magnético relativamente débil podría crear ondas de choque con la potencia necesaria para imprimir más aceleración a los electrones de alta velocidad. Un “empujón extra” capaz de mantenerlos en movimiento a lo largo de todo el filamento.
A pesar de todo, estas conclusiones no son más que una explicación posible y que no resuelve aún el misterio. Por supuesto, la investigación continúa.
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