Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida medio. La partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

Lo que puede vivir una u otra partícula puede diferir de manera muy considerable. Por ejemplo, un neutrón vive 10¹³ veces más que una partícula sigma⁺, y una partícula sigma⁺ tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma⁰. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10^-24 segundos, se puede decir con toda seguridad que todas estas partículas son bastante estables; de hecho, en la jerga profesional de los físicos las tienen como “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide de manera electrónica su desintegración.

Que la mayoría de las partículas tengan una vida media de 10^-8 segundos significa que son extremadamente estables. La función de onda interna oscila más de 10²² veces por segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10^-8 × 10²², que es 10¹⁴, o lo que es lo mismo, 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera.

Aunque la vida del neutrón sea mucho más larga (en promedio, un cuarto de hora), su desintegración también, como la anterior, se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según la bien conocida fórmula de Einstein, E = mc².

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Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida medio. La partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

Lo que puede vivir una u otra partícula puede diferir de manera muy considerable. Por ejemplo, un neutrón vive 10¹³ veces más que una partícula sigma⁺, y una partícula sigma⁺ tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma⁰. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10^-24 segundos, se puede decir con toda seguridad que todas estas partículas son bastante estables; de hecho, en la jerga profesional de los físicos las tienen como “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide de manera electrónica su desintegración.

Que la mayoría de las partículas tengan una vida media de 10^-8 segundos significa que son extremadamente estables. La función de onda interna oscila más de 10²² veces por segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10^-8 × 10²², que es 10¹⁴, o lo que es lo mismo, 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera.

Aunque la vida del neutrón sea mucho más larga (en promedio, un cuarto de hora), su desintegración también, como la anterior, se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según la bien conocida fórmula de Einstein, E = mc².

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas reflejadas en la tabla de la página 19 serían completamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π⁰, η y Σ⁰ es la electromagnética. Precisamente, estas partículas tienen una vida media mucho más corta, lo que nos induce a pensar que, aparentemente, la interacción electromagnética es más fuerte que la interacción débil.

Tal cúmulo de partículas y de los complejos detalles que en cada una de ellas hay que tener en cuenta para tenerlas perfectamente clasificadas, hizo exclamar al gran físico italiano Enrico Fermi “si llego a saber esto me habría dedicado a la botánica”.

Cuando las partículas se desintegran, en realidad se transforman en otra. Un ejemplo típico de una resonancia delta (Δ)

Δ⁺⁺ → p + π⁺;  Δ⁰ → p + π^– ó n + π⁰

Como se puede ver en el ejemplo, la resonancia delta⁺ se desintegra en un protón y un pión⁺; la neutra  en un protón y un pión^–, o en un neutrón y un pión neutro.

Hay miles de ejemplos que se definen según las partículas que desintegramos.

Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo posible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos múltiples. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3).

Gell-Mann llamó a esta teoría “el óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 2/3. No figuran en la tabla de páginas anteriores porque son resonancias; cuatro de ellas resonancias delta, que como hemos visto en el ejemplo anterior se desintegran en nucleones estables y piones. Así, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega^– y pudo precisar la masa con bastante exactitud porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una manera sistemática siguiendo una pauta que sólo tuvo que seguir para adjudicar la masa de la omega^–. Pero esta partícula con extrañeza s = -3 no tenía partícula ninguna en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que la omega sólo podía desintegrarse por interacción débil, y por tanto, su vida media no podía ser de tan sólo 10^-23 segundos como los demás miembros del multiplote, sino que tenía que ser del orden de 10^-10 segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La omega^– fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

Se identificaron estructuras multiplotes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, al igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) donde conversaba a menudo con Richard Feynman, otro físico muy famoso pero con personalidad muy diferente. Mientras que Gell-Mann es un hombre erudito en idiomas y literatura, con las artes en general, Feynman era un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso y un matemático excepcional, que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida; era un pensador libre y profundo.

Gell-Mann, cuando sugirió otros elementos más elementales que bariones y mesones, se refería a los que más tarde llamaría quarks y que, precisamente, en un número de tres forma bariones, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark.

En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks. Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3 de la carga electrónica). Los quarks aparecen en seis sabores (sin conexión con el gusto): up, down, charmed, strange, top y bottom. Los tres quarks del protón son uud, mientras que el neutrón está formado por udd. Cada sabor tiene su antiquark con carga opuesta.

Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark, y los propios quarks forman un grupo SU(3).

Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s o antiquarks .

Con tres quarks y tres antiquarks se pueden formar nueve posibles combinaciones, pero la novena, un estado que cambia continuamente de  a  y , tiene un comportamiento excepcional. Este objeto llamado η^r es considerablemente más pesado que los otros.

Como los tres tipos de quarks pueden tener espín “hacia arriba” o “hacia abajo”, tenemos en total seis elementos, que dan lugar a 56 combinaciones diferentes de estos tres quarks. Cada elemento del decuplete tiene espín 3/2 y puede, por lo tanto, rotar de cuatro formas diferentes alrededor de su eje (uno de esos hechos maravillosos en mecánica cuántica). Los miembros del octeto tienen espín ½ y, por lo tanto, sólo pueden rotar de dos formas diferentes y así es como salen los números: 56 = 4 × 10 + 2 × 8.

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el Caltech, en Pasadera, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases”, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es, en realidad, un misterio. Einstein, en un principio, llamó a su teoría “invarianza”, referida a la velocidad de la luz, pero más tarde Max Planck al comentarla la llamó “teoría de la relatividad”, y sin saber por qué, hasta Einstein terminó adoptando el nombre que se hizo mundialmente famoso. Seguramente, el más conocido de todos los dados a las diversas teorías de la física.

Pero continuemos con los quarks que, aparentemente, siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores lo han intentado numerosas veces, pero sin éxito.

Los quarks (si se pueden aislar) tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los s y d deban tener siempre la misma carga. Pero las tablas reseñadas antes nos sugieren que d y s tienen carga -1/3 y el quark u tiene carga 2/3, sin embargo, nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón (negativa) o la del protón (positiva). Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que los mantienen unidos dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes, ya que mantienen a los quarks confinados en una distancia de R ≈ hc/Λ ≈ 10^–13 cm.

Aunque la llegada de los quarks ha clarificado bastante más el galimatías de la flora y fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aun cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Pero, como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, “uno termina enamorado de ellas, su comportamiento misterioso, su enorme pequeñez y su enorme importancia” (unidas conforman todo lo que existe en el universo, incluidos nosotros mismos, que podemos pensar, discurrir y hablar sobre ellos). Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada. Pero la interacción débil de la que hablo está bien documentada.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría completa y sin fisuras. Si nos lo imaginamos como pequeñas esferas hechas de alguna clase de material, aún nos queda el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

emilio silvera

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                                   Algunos hablan de partículas inmortales que reviven a nivel cuántico

Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida medio. La partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

Lo que puede vivir una u otra partícula puede diferir de manera muy considerable. Por ejemplo, un neutrón vive 10¹³ veces más que una partícula sigma⁺, y una partícula sigma⁺ tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma⁰. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10^-24 segundos, se puede decir con toda seguridad que todas estas partículas son bastante estables; de hecho, en la jerga profesional de los físicos las tienen como “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide de manera electrónica su desintegración.

Que la mayoría de las partículas tengan una vida media de 10^-8 segundos significa que son extremadamente estables. La función de onda interna oscila más de 10²² veces por segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10^-8 × 10²², que es 10¹⁴, o lo que es lo mismo, 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera.

Aunque la vida del neutrón sea mucho más larga (en promedio, un cuarto de hora), su desintegración también, como la anterior, se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según la bien conocida fórmula de Einstein, E = mc².

“El neutrón se observó en 1932 (Nobel de Física en 1935). Siendo inestable fuera del núcleo, se desintegra en menos de 15 minutos vía la interacción débil. Hay un misterio asociado a la medida de su vida media: con neutrones ultrafríos atrapados se obtiene un valor de 878.5 ± 0.8 segundos, mientras que contando las desintegraciones un haz de neutrones fríos se obtiene 887.7 ± 2.2 s, con una diferencia de 9.2 s, que son 3.9 sigmas (desviaciones estándares). Se publica en Science una nueva medida del primer tipo, que resulta en 877.7 ± 0.7 (stat) +0.4/–0.2 (sys) segundos. La nueva medida logra reducir los errores sistemáticos por debajo de los estadísticos. Por desgracia, aún no resuelve el misterio.”

 

 

“El protón puede interaccionar con un electrón mediante un bosón Z (interacción débil) en lugar de un fotón (interacción electromagnética). La (hiper)carga débil asociada a esta interacción se puede medir comparando la interacción entre un protón y electrones levógiros y dextrógiros, ya que la interacción débil solo afecta a los electrones levógiros (ya que incumple la simetría de paridad). Se publica en Nature una medida de esta carga débil igual a 0.0719 ± 0.0045 al 68% CL, siendo la asimetría asociada a la paridad igual a −226.5 ± 9.3 partes por millardo (mil millones) al 68% CL. Este resultado está en excelente acuerdo con las predicciones teóricas del modelo estándar. Además, impone restricciones a incumplimientos adicionales de la simetría de paridad asociadas a física más allá del modelo estándar hasta una energía de 3.5 TeV (y para ciertos modelos concretos hasta 8.4 TeV). Se ha calculado  la vida media del protón de 5.9 10³³  años.”

 

 

Estos resultados muestran que aún hay cosas del protón y del neutrón que no hemos observado con la precisión que nos gustaría.

 

 

La detección de la desintegración del protón es un requisito indispensable para las teorías de GUT. Algunas de estas teorías predicen una vida media para el protón de alrededor de unos 10³¹  (o 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) años. En este caso la desintegración a buscar sería protón decayendo a pión neutro y positrón. Si comparamos con la vida del protón con la edad del universo (unos 14 -10⁹  o 14.000.000.000 años), podemos estar tranquilos y sin miedo a que el universo se desintegre delante de nuestros ojos. Pero, ¿Cómo podemos medir una cantidad tan grande? Ciertamente no tenemos tanto tiempo. Lo que si que es posible es aumentar el número de protones bajo estudio. Si reunimos 10³¹  protones (unas 150 toneladas de agua) tenemos que alguno de ellos se desintegrará si los observamos durante un año, si su vida media es de 10³¹ .

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas reflejadas en la tabla de la página 19 serían completamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π⁰, η y Σ⁰ es la electromagnética. Precisamente, estas partículas tienen una vida media mucho más corta, lo que nos induce a pensar que, aparentemente, la interacción electromagnética es más fuerte que la interacción débil.

Tal cúmulo de partículas y de los complejos detalles que en cada una de ellas hay que tener en cuenta para tenerlas perfectamente clasificadas, hizo exclamar al gran físico italiano Enrico Fermi “si llego a saber esto me habría dedicado a la botánica”.

Cuando las partículas se desintegran, en realidad se transforman en otra. Un ejemplo típico de una resonancia delta (Δ)

Δ⁺⁺ → p + π⁺;  Δ⁰ → p + π^– ó n + π⁰

Como se puede ver en el ejemplo, la resonancia delta⁺ se desintegra en un protón y un pión⁺; la neutra  en un protón y un pión^–, o en un neutrón y un pión neutro.

Hay miles de ejemplos que se definen según las partículas que desintegramos.

Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo posible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano

Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos múltiples. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3).

Gell-Mann llamó a esta teoría “el óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 2/3. No figuran en la tabla de páginas anteriores porque son resonancias; cuatro de ellas resonancias delta, que como hemos visto en el ejemplo anterior se desintegran en nucleones estables y piones. Así, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega^– y pudo precisar la masa con bastante exactitud porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una manera sistemática siguiendo una pauta que sólo tuvo que seguir para adjudicar la masa de la omega^–. Pero esta partícula con extrañeza s = -3 no tenía partícula ninguna en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que la omega sólo podía desintegrarse por interacción débil, y por tanto, su vida media no podía ser de tan sólo 10^-23 segundos como los demás miembros del multiplote, sino que tenía que ser del orden de 10^-10 segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La omega^– fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

                         Camino óctuple con el término quarks

Se identificaron estructuras multiplotes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, al igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) donde conversaba a menudo con Richard Feynman, otro físico muy famoso pero con personalidad muy diferente. Mientras que Gell-Mann es un hombre erudito en idiomas y literatura, con las artes en general, Feynman era un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso y un matemático excepcional, que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida; era un pensador libre y profundo.

Gell-Mann, cuando sugirió otros elementos más elementales que bariones y mesones, se refería a los que más tarde llamaría quarks y que, precisamente, en un número de tres forma bariones, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark.

En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks. Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3 de la carga electrónica). Los quarks aparecen en seis sabores (sin conexión con el gusto): up, down, charmed, strange, top y bottom. Los tres quarks del protón son uud, mientras que el neutrón está formado por udd. Cada sabor tiene su antiquark con carga opuesta.

Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un antiquark, y los propios quarks forman un grupo SU(3).

Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s o antiquarks .

Con tres quarks y tres antiquarks se pueden formar nueve posibles combinaciones, pero la novena, un estado que cambia continuamente de  a  y , tiene un comportamiento excepcional. Este objeto llamado η^r es considerablemente más pesado que los otros.

                                   Los Quarks forman Bariones y Mesones, dos ramas de la familia de los Hadrones

Como los tres tipos de quarks pueden tener espín “hacia arriba” o “hacia abajo”, tenemos en total seis elementos, que dan lugar a 56 combinaciones diferentes de estos tres quarks. Cada elemento del decuplete tiene espín 3/2 y puede, por lo tanto, rotar de cuatro formas diferentes alrededor de su eje (uno de esos hechos maravillosos en mecánica cuántica). Los miembros del octeto tienen espín ½ y, por lo tanto, sólo pueden rotar de dos formas diferentes y así es como salen los números: 56 = 4 × 10 + 2 × 8.

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el Caltech, en Pasadera, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases”, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es, en realidad, un misterio. Einstein, en un principio, llamó a su teoría “invarianza”, referida a la velocidad de la luz, pero más tarde Max Planck al comentarla la llamó “teoría de la relatividad”, y sin saber por qué, hasta Einstein terminó adoptando el nombre que se hizo mundialmente famoso. Seguramente, el más conocido de todos los dados a las diversas teorías de la física.

Pero continuemos con los quarks que, aparentemente, siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores lo han intentado numerosas veces, pero sin éxito.

“Los cuarks no se encuentran libres en la naturaleza sino que se agrupan formando hadrones. Estos se dividen en dos tipos: Mesones: bosones formados por un quark y un antiquark (piones, kaones,…) Bariones: fermiones formados por tres o cinco​ quarks y/o antiquarks (protones, neutrones,…).”

 

Los quarks (si se pueden aislar) tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿Cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los s y d deban tener siempre la misma carga. Pero las tablas reseñadas antes nos sugieren que d y s tienen carga -1/3 y el quark u tiene carga 2/3, sin embargo, nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón (negativa) o la del protón (positiva). Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que los mantienen unidos dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes, ya que mantienen a los quarks confinados en una distancia de R ≈ hc/Λ ≈ 10^–13 cm.

Aunque la llegada de los quarks ha clarificado bastante más el galimatías de la flora y fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aun cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Pero, como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, “uno termina enamorado de ellas, su comportamiento misterioso, su enorme pequeñez y su enorme importancia” (unidas conforman todo lo que existe en el universo, incluidos nosotros mismos, que podemos pensar, discurrir y hablar sobre ellos). Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada. Pero la interacción débil de la que hablo está bien documentada.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría completa y sin fisuras. Si nos lo imaginamos como pequeñas esferas hechas de alguna clase de material, aún nos queda el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

emilio silvera

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El Ser Humano, lleva consigo , en su Mente, un ingrediente llamado “Curiosidad” que le empuja a querer saber sobre todo aquello que llame su atención, que le es desconocido, que está escondido y fuera de su mirada, y trata, por todos los medios, de desvelar los secretos allí escondidos.

                         No pocas veces, por esas ansias de saber… hemos corrido grandes peligros

El ser humano está dotado de un resorte interior, algo en su mente que llamamos curiosidad y que nos empuja (sin que en muchas ocasiones pensemos en el enorme esfuerzo y en el alto precio que pagamos) a buscar respuestas, a querer saber el por qué de las cosas, a saber por qué la naturaleza se comporta de una u otra manera y, sobre todo, siempre nos llamó la atención aquellos problemas que nos llevan a buscar nuestro origen en el origen mismo del universo y, como nuestra ambición de saber no tiene límites, antes de saber de dónde venimos, ya nos estamos preguntando hacia dónde vamos. Nuestra osadía no tiene barreras y, desde luego, nuestro pensamiento tampoco las tiene, gracias a lo cual, estamos en un estadio de conocimiento que a principios del siglo XXI, se podría calificar de bastante aceptable para dar el salto hacia objetivos más valiosos.

Es mucho lo que hemos avanzado en los últimos ciento cincuenta años.  El adelanto en todos los campos del saber es enorme. Las matemáticas, la física, la astronomía, la química, la biología genética, y otras muchas disciplinas científicas que, en el último siglo, han dado un cambio radical a nuestras vidas.

El crecimiento es exponencial; cuanto más sabemos más rápidamente avanzamos. Compramos ordenadores, teléfonos móviles, telescopios y microscopios electrónicos y cualesquiera otros ingenios e instrumentos que, a los pocos meses, se han quedado anticuados, otros nuevos ingenios mucho más avanzados y más pequeños y con muchas más prestaciones vienen a destituirlos.

¿Hasta dónde podremos llegar?

El ser Humano seguirá evolucionando y alcanzará una edad media avanzada, irá a las estrellas y….

Con el tiempo suficiente por delante… no tenemos límite. Todo lo que la mente humana pueda idear… podrá hacerlo realidad. A excepción, claro está, de las imposibilidades físicas que, en este momento, no tenemos la capacidad intelectual para enumerar. La verdad es que nuestra especie es inmortal. Sí, lo sé, a nivel individual morimos pero…, debemos tener un horizonte más amplio y evaluar una realidad más global y, sobre todo, a más largo plazo. Todos dejamos aquí nuestro granito de arena, lo que conseguimos no se pierde y nuestras antorchas son tomadas por aquellos que nos siguen para continuar el trabajo emprendido, ampliar los conocimientos, perfeccionar nuestros logros y pasar a la fase siguiente.

Este es un punto de vista que nos hace inmortales e invencibles, nada podrá parar el avance de nuestra especie, a excepción de nuestra especie misma.

El CHON es un conjunto de elementos que nos conforman (Carbono – Hidrógeno – Oxígeno – Nitrógeno)

Ninguna duda podemos albergar sobre el hecho irrefutable de que venimos de las estrellas* y de que nuestro destino, también está en las estrellas*.

La humanidad necesita más energía para continuar avanzando. Los recursos naturales fósiles, como el petróleo, el gas o el carbón, son cada vez más escasos y difíciles de conseguir. Se ha llegado a un punto en el que se deben conseguir otras energías.

Dentro de unos treinta años estaremos en el camino correcto. La energía de fusión sería una realidad que estará en plena expansión de un comenzar floreciente. Sin residuos nocivos peligrosos como las radiaciones de la fisión nuclear, la fusión nos dará energía limpia y barata en base a una materia prima muy abundante en el planeta Tierra.

Nuestro Sol fusiona hidrogeno en helio a razón de 4.654.000 toneladas por segundo. De esta enorme cantidad de hidrógeno, 4.650.000 toneladas se convierten en helio. Las 4.000 toneladas restantes son lanzadas al espacio en forma de luz y calor, energía termonuclear de la que, una parte, llega al planeta Tierra y hace posible la vida.

Resulta pues que el combustible nuclear de las estrellas es el hidrógeno que mediante su fusión hace posible que genere tal enormidad de energía.  Así lleva el Sol unos 4.500 millones de años y se espera que al menos durante un período similar nos esté regalando su luz y su calor.

Pero ¿tenemos hidrógeno en el planeta Tierra para tal empresa de fusión nuclear?

La verdad es que sí. La fuente de suministro de hidrógeno con la que podemos contar es prácticamente inagotable…

¡El agua de los mares y de los océanos!

Todos sabemos que el hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Está presente en el agua y en todos los compuestos orgánicos.  Químicamente, el hidrógeno reacciona con la mayoría de los elementos.  Fue descubierto por Henry Cavendisch en 1.776. El hidrógeno se utiliza en muchos procesos industriales, como la reducción de óxidos minerales, el refinado del petróleo, la producción de hidrocarburos a partir de carbón y la hidrogenación de los aceites vegetales y, actualmente, es un candidato muy firme para su uso potencial en la economía de los combustibles de hidrógeno en la que se usan fuentes primarias distintas a las energías derivadas de combustibles fósiles (por ejemplo, energía nuclear, solar o geotérmica) para producir electricidad, que se emplea en la electrólisis del agua. El hidrógeno formado se almacena como hidrógeno líquido o como hidruros de metal.

Bueno, tantas explicaciones sólo tienen como objeto hacer notar la enorme importancia del hidrógeno. Es la materia prima del universo, sin él no habría estrellas, no existiría el agua y, lógicamente, tampoco nosotros podríamos estar aquí sin ese preciado elemento.

Cuando dos moléculas de hidrógeno se junta con una de oxígeno (H₂O), tenemos el preciado líquido que llamamos agua y sin el cual la vida no sería posible.

Así las cosas, parece lógico pensar que conforme a todo lo antes dicho, los seres humanos deberán fijarse en los procesos naturales (en este caso el Sol y su producción de energía) y, teniendo como tiene a su disposición la materia prima (el hidrógeno de los océanos), procurar investigar y construir las máquinas que sean necesarias para conseguir la fusión, la energía del Sol.

Esa empresa está ya en marcha y, como he dicho al principio de este comentario, posiblemente en unos treinta años sería una realidad que nos dará nuevas perspectivas para continuar el imparable avance en el que estamos inmersos.

Pero no me gustaría cerrar este comentario sobre la fusión sin contestar a una importante pregunta…

¿Y por qué la fusión?

Porque tiene una serie de ventajas muy significativas en seguridad, funcionamiento, medio ambiente, facilidad en conseguir su materia prima, ausencia de residuos peligrosos, posibilidad de reciclar los escasos residuos que genere, etc.

• Los recursos combustibles básicos (deuterio y litio) para la fusión son abundantes y fáciles de obtener.
• Los residuos son de helio, no radiactivos.
• El combustible intermedio, tritio, se produce del litio.
• Las centrales eléctricas de fusión no estarán expuestas a peligrosos accidentes como las centrales nucleares de fisión.
• Con una elección adecuada de los materiales para el propio dispositivo de fusión, sus residuos no serán ninguna carga para las generaciones futuras.
• La fuente de energía de fusión es sostenible, inagotable e independiente de las condiciones climáticas.

Para producir la energía de fusión sólo tenemos que copiar lo que hace el Sol. Tenemos que hacer chocar átomos ligeros de hidrógeno para que se fusionen entre sí a una temperatura de 15 millones de grados Celsius, lo que, en condiciones de altas presiones (como ocurre en el núcleo del Sol) produce enormes energías según la formula E = mc² que nos legó Einstein demostrando la igualdad de la masa y la energía.

                            El plasma es el más abundante de los estados de la materia en nuestro Universo

Ese estado de la materia que se consigue a tan altas temperaturas, es el plasma, y sólo en ese estado se puede conseguir la fusión. Es el plasma el estado más abundante de la materia en nuestro Universo. está por todas partes.

Aunque en Europa la aventura ya ha comenzado, y para ello se han unido los esfuerzos económicos de varias naciones, la empresa de dominar la fusión no es nada fácil, pero…, démosle…

¡TIEMPO!

El transcurrir inexorable del tiempo lo cambia todo

Sí, es el tiempo el factor que juega a nuestro favor para conseguir nuestros logros más difíciles, para poder responder preguntas de las que hoy no tenemos respuesta, y es precisamente la sabiduría que adquirimos con el paso del tiempo la que nos posibilita para hacer nuevas preguntas, más profundas que las anteriores y que antes, por ignorancia, no podríamos hacer.  Cada nuevo conocimiento nos abre una puerta que nos invita a entrar en una nueva región donde encontramos otras puertas cerradas que tendremos que abrir para continuar nuestro camino. Sin embargo, hasta ahora, con el “tiempo” suficiente para ello, hemos podido franquearlas hasta llegar al momento presente en el que estamos ante puertas cerradas con letreros en los que se puede leer: fusión, teoría M, viajes espaciales tripulados, nuevas formas de materia, el gravitón, la partícula de Higgs, las ondas de energía de los agujeros negros, hiperespacio, otros universos, materia oscura, y otras dimensiones.

Muchas son las puertas cerradas que encontramos a nuestro paso (es la ignorancia), De vez en cuanto, encontramos alguna entre-abierta que nos permite pasar y encontramos nuevos conocimientos para continuar el camino hacia el saber salvador.

Todas esas puertas y muchas más nos quedan por abrir. Además, tenemos ante nuestras narices puertas cerradas que llevan puesto el nombre de: genética, nanotecnología, nuevos fármacos, alargamiento de la vida media, y  muchas más en otras ramas de la ciencia y del saber humano.

Aunque es mucho lo que se ha especulado sobre el tema, en realidad, el tiempo sólo transcurre (que sepamos) en una dirección, hacia delante. Nunca ha ocurrido que unos hechos, que unos sucesos, se pudieran borrar, ya que para ello habría que volver en el tiempo anterior al suceso para evitar que sucedieran. Está claro que en nuestro universo, el tiempo sólo transcurre hacia lo que llamamos futuro.

Siempre encontramos las huellas del paso del tiempo, aparecen sutiles efectos que delata el sentido del paso del tiempo, aunque es algo que no se puede ver ni tocar, su paso se deja sentir, lo nuevo lo va convirtiendo en viejo, con su transcurrir, las cosas cambian. La misma Tierra, debido a las fuerzas de marea, con el paso del tiempo va disminuyendo muy lentamente su rotación alrededor de su eje (el día se alarga) y la distancia media entre la Tierra y la Luna crece. El movimiento de un péndulo, con el tiempo disminuye lentamente en su amplitud por las fuerzas de rozamiento. Siempre está presente ese fino efecto delator del sentido del paso del tiempo que va creando entropía destructora de los sistemas que ven desaparecer su energía y cómo el caos lo invade todo.

Nos podríamos hacer tantas preguntas sobre las múltiples vertientes en que se ramifica el tiempo que, seguramente, este libro sería insuficiente para poder contestarlas todas (de muchas no sabríamos la respuesta).

• ¿Por qué consideramos que el tiempo rige nuestras vidas?
• ¿Cómo explicarías “qué es el tiempo”?
• ¿Por qué unas veces te parece que el tiempo “pasa rápido” y otras veces “muy lento”?
• ¿Crees que el tiempo estaba antes del Big Bang? ¿Por qué?
• ¿En algún momento se acabará el tiempo?
• ¿Cómo el ser humano “fue consciente” de la existencia del tiempo?
• ¿Qué cosa es el tiempo?
• ¿Por qué no lo vemos ni tocamos pero notamos sus efectos?
• ¿Por qué la velocidad relativista puede frenar el transcurrir del tiempo?

En realidad, si nos detenemos a pensar detenidamente y en profundidad en el entorno en que nos encontramos, una colonia de seres insignificantes, pobladores de un insignificante planeta, de un sistema solar dependiente de una estrella mediana, amarilla, del tipo G-2, nada especial y situada en un extremo de un brazo espiral, en la periferia (los suburbios del Sistema Solar) de una de entre miles de millones de galaxias… si pensamos en esa inmensidad, entonces caeremos en la cuenta de que no somos tan importantes, y el tiempo que se nos permite estar aquí es un auténtico regalo. Ese tiempo, corto espacio de tiempo en relación al tiempo cosmológico, es por cierto un espacio suficiente para nacer, crecer, aprender, dejar huella de nuestro paso por este mundo a través de nuestros hijos y a veces (si somos elegidos) por nuestro trabajo, tendremos la oportunidad (casi siempre breve) de ser felices y muchas oportunidades para el sacrificio y el sufrimiento, y así irán pasando nuestras vidas para dejar paso a otras que, al igual que nosotros, continuaran el camino iniciado en aquellas cuevas remotas del pasado, cuando huyendo del frío y de los animales salvajes, nos refugiábamos en las montañas buscando cobijo y calor.

Han pasado muchos periodos de tiempo desde entonces, y la humanidad, en verdad, aprovechó el tiempo. No quiero decir que en todos los ámbitos humanos del comportamiento tengamos que felicitarnos, hay algunos (aún hoy) de los que el sonrojo es inevitable, pero eso es debido a que la parte animal que llevamos en nosotros está de alguna manera presente, y los instintos superan a veces a la racionalidad. Aún no hemos superado el proceso de humanización. Sin embargo, los logros conseguidos no han sido pocos; el “tiempo” está bien aprovechado si pensamos que hace sólo unos miles de años no sabíamos escribir, vagamos por los campos cazando y cogiendo frutos silvestres y no existían organizaciones sociales ni poblaciones.  Desde entonces, el salto dado en todos los campos del saber ha sido tremendo.

Ahora, pasado el tiempo, nuestra innata curiosidad nos ha llevado a descubrir que vivimos en un planeta que pertenece a una estrella de una galaxia que forma parte de un grupo de treinta galaxias (el “Grupo Local”) y que a su vez, están inmersas en un universo que cuenta con decenas de miles de millones de galaxias como la nuestra.

Hemos podido saber que ese universo está en expansión y que las galaxias se alejan las unas de las otras. Se ha podido deducir que el universo surgió de una explosión a la que llamamos el Big Bang hace ahora 13.500 millones de años. A partir de una singularidad, un punto de energía y densidad infinitas, surgió el universo que, desde entonces, junto con el espacio y el tiempo continúa expandiéndose.

Surgieron los primeros quarks libres que se juntaron para formar protones y neutrones que, a su vez, se unieron y formaron núcleos que, al tener energía positiva, atrajeron a los electrones, de energía negativa, formándose así lo átomos estables.

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                                                             El Vacío perfecto no existe

Habiendo llegado un mensaje a esta pagina de los alumnos de 2º de Física de una Universidad Española, nos piden que hagamos un  comentario que verse sobre el Vació y hagamos un poco de historia. Como el principal motivo de esta pagina es el de divulgar la Física y la Astronomía, no tenemos inconveniente alguno en prestar dicha colaboración y, para ello, nos hemos documentado y hacemos este primer comentario (muy breve) y otro posterior de mas amplitud que, esperamos les pueda ser de utilidad a dichos alumnos.

De eso que llamamos “vacío” surgen partículas virtuales que aparecen y desaparecen de inmediato para volver

El vació comienza con un concepto filosófico en la Antigua Grecia. La primera noticia corresponde a Demócrito de Abdera (460-400 a. de C.), quien razonando sobre la naturaleza de la materia concluye que esta formada por átomos y vació, pensamiento que permanece hasta Aristóteles (384 a 322 a. de C.)que, con su concepto de la extensión del cuerpo físico, niega la existencia del vació. El Renacimiento científico con Baliani, Bert y Torricelli, pero en controversia con Galileo, demuestra la existencia del vació como espacio exento de aire.

En el espacio, nadie puede escucharte gritar. Esto es así porque en el espacio no hay aire: es un vacío. Las ondas de sonido no pueden viajar a través del vacío. Sin embargo, allí hay mucho, lo de vacío es una forma de hablar y referido sólo al aire respirable.

 

Pascal define el concepto de presión. Otto von Guericke inventa la bomba de “aire” (bomba de vació) y es perfeccionada por Boyle y Huygens. Se despierta el interés por la descarga eléctrica y se entra en el siglo XIX con la utilización del mercurio como fluido de bombeo y la invención del manómetro de compresión de McLeod, descubrimiento de los rayos catódicos, los rayos X y el electrón. Queda abierto el camino para el gran desarrollo durante el siglo XX y el advenimiento del ultra alto vació.

Hacer un recorrido serio por la historia del vació, desde Grecia hasta finales del siglo XIX, nos obligaría a recorrer un largo camino hasta llegar al Renacimiento Científico  del s. XVI y XVII y detallar todos y cada uno de los descubrimientos que se pudieron hacer a lo largo de ese tramo de la Historia.

                                En los laboratorios se hicieron experimentos con bombas de vacío

Fueron muchos los progresos que se hicieron posible a partir del s. XVIII, durante esa centuria fueron cuatro los centros de difusión y desarrollo de la ciencia y la tecnología del Vació: Florencia, la Haya, Londres y Oxford. Ya en el siglo XIX, podemos considerar que prevaleció el mercurio y la teoría. El mercurio se convierte en el elemento básico como fluido de bombeo en las nuevas bombas y con vació final que llegan a los 10^-5  milímetros de mercurio al finalizar el siglo del siglo. La obtención de vacíos mas bajos y controlados abre el campo de la teoría de los gases que, sin ser exhaustivo, resumidos en: John Dalton (1776-1844) y la ley de proporciones múltiples.

La Ley de Amadeo Avogadro (1776-1856) y la determinación del numero de moléculas en el volumen. John James Weterston (1811-1883) y el concepto cinético de presión. William Ramsey (1852-1916), composición del aire, descubrimiento de gases nobles. Rudolf Julios Emanuel Clausius (1822-1888) Que desarrolla la Mecánica Estadística. Luwdwig Boltzmann (1844-1906), la constante universal de los gases y la teoría de los micro estados. James Clerk Maxwell (1831-1879) que desarrolla la teoría cinética de los gases. ¿Se podía pedir más al desarrollo del estudio teórico de los gases en esa época?

En el vacío existen fuerzas

El impacto del vació en el desarrollo de la Física moderna ha sido grande y de una importancia capital para las nuevas tecnologías y materiales durante los comienzos del siglo XIX, ya que, tuvo una gran incidencia en su desarrollo, especialmente en el descubrimiento del electrón y los rayos X, y, desde luego, serian muchos mas los datos y acontecimientos y personajes que deberíamos poner aquí. Al mismo tiempo que se desarrolla la Ciencia y la Técnica del Vació, se utiliza como herramienta para inventar o desarrollar dispositivos o procesos en vació.

Todos sabemos que no fue Edison el inventor y que abusó de la idea de un genio como Tesla

Edison en 1879 inventa la lámpara de incandescencia con filamentos de carbón y utiliza la bomba de Sprengel modificada. En 1852 W.R. Grove da evidencia del proceso de pulverización catódica. Mediante la descarga el material del cátodo es transferido y depositado sobre una placa pulida. Proceso que con las innovaciones introducidas se sigue ampliamente utilizando en nuestros días. En 1882 Dewarl describe el método para almacenar líquidos criogénicos. En 1887 el físico alemán Karl Ferdinand Braun  (1850-1918) basándose en el tubo de rayos catódicos inventa el osciloscopio.

Los principios básicos de la Ciencia y Tecnología del Vació han sido establecidos y queda abierto el campo al tremendo desarrollo que experimento durante el siglo XX y el gran impacto que tuvo en el desarrollo de la Ciencia.

emilio silvera

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