lunes, 25 de mayo del 2015 Fecha
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¿Que es el principio de exclusión de Pauli?

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

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Es realmente maravilloso que podamos haber llegado, en el extremo de las escalas, hasta esos mundos fantáscitos que nos proporcionan los “universos” de lo muy pequeño y de lo muy grande. Lo más cotidiano para nosotros es lo que se encuentra en el macro mundo, lo que se interrelaciona directamente con nosotros, lo que podemos ver y tocar. Sin embargo, ahí está ese otro “mundo” que se nos escapa a los sentidos pero que es, tan real como el otro. Es el que describe la mecánica cuántica y que nos habla de maravillas y procesos asombrosos que son, tan reales como los que contemplamos a nuestro alrededor.

 

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Los viejos vestigios de lo que fue aún perduran y son la huella de aquel mundo que consiguió una cultura increíble

 

A partir del mundo Clásico

 

La Ciencia comenzó en la Grecia antigua clásica, y ahí es donde podemos comenzar a seguir la pista que nos conduce hasta nuestras ideas actuales sobre la energía de la vida. Los griegos fueron unos pensadores asombrosamente creativos. Realmente es casi imposible describir claramente lo que los griegos pensaban sobre cualquier tema, porque siempre pensaban de manera muy diferente sobre cualquier materia, y sobre las mismas cosas, siendo la mayoría de estas maneras contradictorias entre sí, pareciera que todo pudiera mirarse desde diferentes perspectivas. La diversidad de ideas enriquecía los pensamientos que, en realidad, aunque por separado, todos trataban de llegar a la verdad que encierran las cosas.

Libertad asintótica de los Quarks: Al tratar la naturaleza del confinamiento de quarks, una visualización es la de una bolsa elástica que permite a los quarks moverse libremente por toda ella, siempre y cuando no se trate de tirar más para separarlos. Si se intenta tirar de un cabo del quark, la bolsa se estira y resiste. Así los Quarks se reunen en tripletes para formar hadrones bariones como los protones y neutrones, y, están dentro de ellos confinados por la fuerza nuclear fuerte. Sus movimientos dentro de los hadrones, está limitado por la superficie del interior de ellos y, allí, 8 Bosones que se llaman Gluones, vigilan para que no se puedan separar más de ese límite que tienen marcado. También están dentro de los hadrones mesones en el número de dos.
Pero, retrocedamos en el Tiempo y recordemos cuando… (pulsa para leer el artículo completo (Esos pequeños objetos que forman la materia).
                   Esquema de un interferómetro de Michelson.  Interferómetro de Michelson. El espejo diagonal (centro) divide el rayo luminoso reflejando una mitad y dejando seguir a la otra su trayectoria recta.

Preludio a la relatividad. Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald

En 1.893 el físico irlandés George Francis Fitzgerald emitió una hipótesis para explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley. Adujo que toda la materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.

Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso. Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.

Parecía como si la explicación de Fitzgerald insinuara que la naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, para lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento. Pero veámos lo…

Einstein.

Ahora nos centraremos en el Principio de Exclusión de Pauli que, entre otras cosas, hace posible que existan estrellas enanas blancas y de Neutrones.

 

 

 

El Principio de Exclusión de Pauli es un principio cuántico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1.925.  Establece que no puede haber dos Fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado.1 Formulado inicialmente como principio, posteriormente se comprobó que era derivable de supuestos más generales: de hecho, es una consecuencia delteorema de la estadística del spín.

Debido al Principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones  ocupen el mismo 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.

                                                          Condensado de Bose-Einstein

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, eñ Principio de esclusión de Pauli  tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los Fermiones pero no a los Bosones.

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

         Los bosones tienen un momento angular n h/2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planckbosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un 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/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

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La mejor teoría para explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y unos ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas.

El campo magnético de las estrellas de neutrones

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo   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 que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo delneutrón 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).

Sea 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 formar la antimateria, de la misma 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. 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.

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, tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

La verdad es que, el momento, el éxito ha sido nulo y la antimateria, si existió alguna vez, quedó destruída en esos primeros momentos del Big Bang y, desapareció debido a que, la materia bariónica era algo mayor que la antimateria, es decir, había más protones que antiprotones.

Los físicos hablan de antipartícula y se están refiriendo a una partícula subatómica que tiene la misma masa que otra partícula y valores iguales pero opuestos de otra propiedad o propiedades. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, que tiene una carga positiva igual en módulo a la carga negativa del electrón. El antiprotón tiene una carga negativa igual al módulo de la carga positiva del protón. El neutrón y el antineutrón tienen momentos magnéticos con signos opuestos en relación con sus espines. La existencia de antipartículas es predicha por la mecánica cuántica relativista.

Cuando una partícula y su antipartícula colisionan ocurre la aniquilación. La antimateria consiste en materia hecha de antipartículas. Por ejemplo, el antihidrógeno consiste en un antiprotón con un positrón orbitando. El antihidrógeno ha sido creado artificialmente en laboratorio. El espectro del antihidrógeno debería ser idéntico al del hidrógeno y, precisamente por eso, es tan difícil para los astrónomos localizar antimateria (si es que la hay).

Parece que el Universo está formado mayoritariamente de materia (ordinaria) y la explicación de la ausencia de grandes cantidades de antimateria debe ser incorporada en  modelos cosmológicos que requieren el uso de teorías de gran unificación de las partículas elementales.

Y, a todo esto, no debemos olvidarnos de la otra materia, esa que llamamos oscura y que, en realidad, deja al descubierto nuestra inmensa ignorancia, ya que, todo el Universo está empapado de ella, y, sin embargo, aún no hemos sido capaces de discernir lo que dicha materia oscura pueda ser, como se formó, o de qué está hecha y cómo se generó en el Universo, en verdad es un gran misterio qur todos los Astrónomos del mundo persiguen incansables.

Ahora se habla de otras dimensiones, y, nuestro cerebro está conformado en tres espaciales y una temporal ( la relatividad especial) y, desde luego, nos cuesta “ver” dimensiones más altas y no podemops crear en nuestras mentes imágenes que nos lleven a 5, 10, 11 o cualquier de dimensiones que están fuera de nuestro alcance mental pero, las matemáticas nos dicen que podrían muy bien existir y, para ello, han ideado una hermosa Teoría del Todo que llaman de supercuerdas o Teoría M.

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Por mucho que esforzamos nuestra imaginación, visualizar esas dimensiones extra… ¡No será nada fácil! Nuestro muntro es tridimensional más el Tiempo que, desde Einstein, es la cuarta dimensión, Sin embargo, aunque con la numerología se trabaja con más dimensiones, y, los físicos de cuerdas logran que la Cuántica y la Relatividad (lo pequeño y lño grande) se junten sin alborotos, en la realidad cotidiana, donde las matemáticas quedan fuera, esas dimensiones más altas… ¡No se ven por ninguna parte!

Según los físicos, si es verdad que dichas dimensiones están ahí, ¿no podría esa materia y energía oscura estar alojada en alguna de ellas? Tengo un registrado en la Sociedad de Autores científicos que, precisamente se refiere a eso, a que la materia oscura pueda estar fuera de nuestra visión y que no la podamos detectar precisamente por no tenerla a la vista, y, mediante fluctuaciones del vacío, esa cantidad ingente de materia oscura deja pasar a los gravitones, los bosones intermediarios de la fuerza de Gravedad, que llegan a nuestro propio espacio, a nuestras dimensiones, y, se deja sentir haciendo que las galaxias se alejen las unas de las otras a mayor velociodad de lo que lo harían si la única materia presente fuese la Bariónica.

En fin, amigos, es tanto lo que no sabemos que, mejor será la búsqueda de éste y de otros misterios que, como el de la masa de las partículas, aún se nos escapa y tenemos que construir maravillas como el LHC para tratar de que responda a nuestras preguntas.

        Una máquina gigantesca que quiere viajar hasta las cuerdas vibrantes

Pero, una cosa es cierta, nuestra osadía que nos lleva a comentar sobre cosas que no llegamos a comprender y, como por ejemplo, los taquiones, son simplemente objetos creados en nuestra inagotable imaginación. Los taquiones, si lo recordais, son partículas hipotéticas que viajan a mayor velocidad que la de la luz y, según la teoría electromagnética, una partícula cargada que viaja a través de un medio con velocidad mayor que la de la luz en ese medio emite radiación Cerenkov y, un taquión cargado emitirá radiación Cerenkov incluso en el vacío.

Claro que, por el momento no se han detectado partículas con esas caracterísiticas y, si llegan a hacer acto de presencia, ¿qué hacemos con la relatividad especial de Einstein que nos dice que nada en nuestro Universo podrá ir a más velocidad que la luz?

¡Es un serio problema! Mejor que el dichoso Taquión no aparezca.

Por otra parte, nunca podremos dejar de sorprendernos cuando nos sumergimos en el “universo” de la mecánica cuántica y en el mundo subatómico de las partículas. El 18 abril 2012, investigadores del Instituto Kavli de TU Delft y de la Fundación FOM han logrado una primera detección de partículas Majorana. Etore Majorana fue un brillante físico italiano que llevó a cabo sus investigaciones en los años treinta del siglo pasado, ahondando en la teoría cuántica y como una partícula especial que podría existir, una partícula que sería en sí misma su propia antipartícula: el fermion de Majorana. Eso sitúa a partícula en la frontera entre materia y antimateria.

¿Será cierto aquello de que, todo lo que podamos imaginar se puede convertir en realidad… ¡con el paso del tiempo!

emilio silvera

El Principio antrópico, el gato de Schrödinger

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

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El físico Alan Harvey Guth dijo

:

“El principio antrópico es algo que la gente propone si no pueden pensar en algo mejor que hacer.”

 

Para Richard Feynman, el objetivo de un físico teórico es “demostrarse a sí mismo que está equivocado en cuanto sea posible”. Sin embargo, el principio antrópico es estéril y no puede ser refutado. Weinberg dijo: “aunque la ciencia es claramente imposible sin científicos, no está claro que el universo sea imposible sin ciencia.

En cosmología el principio antrópico establece que cualquier teoría válida sobre el universo tiene que ser consistente con la existencia del ser humano.

El debate sobre el principio antrópico (y por consiguiente sobre Dios) estuvo en letargo durante muchos años, aunque fue reactivado recientemente por la función de onda del universo de Hawking. Si Hawking está en lo cierto, entonces existen en realidad un número infinito de universos paralelos, muchos de ellos con diferentes constantes físicas. En algunos de ellos, quizá los protones se desintegran con demasiada rapidez, o las estrellas no pueden fabricar los elementos pesados por encima del hierro, o el Big Crunch tiene lugar demasiado deprisa porque su densidad crítica sobrepasa en mucho a la ideal y no da tiempo a que pueda comenzar la germinación de la vida, y así sucesivamente. De hecho, un número infinito de estos universos paralelos están muertos, sin las leyes físicas que puedan hacer posible la vida tal como la conocemos.

Hace tiempo ya que muchos piensan en la existencia de universos paralelos. Muchas estrellas y galaxias, muchos mundos, y, también, muchos universos. Claro que, es tan grande el nuestro que sería impensable poder salir de él para visitar otros universos vecinos, cuando la realidad es que, ni podemos visitar las galaxias más cercanos o los mundos que nos rodean en el propio Sistema solar. ¡Qué atrasados estamos todavía!

En tal universo paralelo (el nuestro), las leyes de la física eran compatibles con la vida que conocemos. La prueba es que nosotros estamos aquí para tratar esta cuestión. Si esto es cierto, entonces quizá no haya que invocar a Dios para explicar por qué la vida, por preciosa que sea, es posible en nuestro universo. Sin embargo, esto reabre la posibilidad del principio antrópico débil, es decir, que coexistimos con nuestros universos muertos y que el nuestro sea el único compatible para vida.

La segunda controversia estimulada por la función de onda del universo de Hawking es mucho más profunda y, de hecho, aun está sin resolver. Se denomina el Gato de Schrödinger.

La teoría cuántica, recordémoslo, afirma que para todo objeto existe una función de onda que mide la probabilidad de encontrar dicho objeto en un cierto punto del espacio y del tiempo. La teoría cuántica afirma también que nunca se conoce realmente el estado de una partícula hasta que se haya hecho una observación. Antes de que haya una medida, la partícula puede estar en uno de entre una diversidad de estados, descritos por la función de onda de Schrödinger. Por consiguiente, antes de que pueda hacerse una observación o medida, no se puede conocer realmente el estado de la partícula.  De hecho, la partícula existe en un estado ultramundano, una suma de todos los estados posibles, hasta que se hace una medida.

Cuando esta idea fue propuesta por primera vez por Niels Bohr y Werner Heisemberg, Einstein se revolvió contra ella. “¿Existe la luna sólo porque la mira un ratón?”, le gustaba preguntar. Según la teoría cuántica, en su más estricta interpretación, la Luna, antes de que sea observada, no existe realmente tal como la conocemos. “La Luna puede estar, de hecho, en uno cualquiera de entre un número infinito de estados, incluyendo el estado de estar en el cielo, de estar explotando, o de no estar allí en absoluto. Es el proceso de medida que consiste en mirarla el que decide que la Luna está girando realmente alrededor de la Tierra”. Decía Einstein con ironía.

De la resolución de la ecuación de onda de Schrödinger se obtiene una serie de funciones de onda (ó probabilidades de distribución de los electrones) para los diferentes niveles energéticos que se denominan orbitales atómicos.

Edwin Schrödinger, autor de la ecuación con su función de onda, se disgustó con estas interpretaciones de su ecuación. Para demostrar lo absurdo de la situación creada, Schrödinger colocó un gato imaginario en una caja cerrada. El gato estaba frente a una pistola, que está conectada a un contador Geiger, que a su vez está conectado a un fragmento de uranio. El átomo de uranio es inestable y sufrirá una desintegración radiactiva. Si se desintegra un núcleo de uranio, será detectado por el contador Geiger que entonces disparará la pistola, cuya bala matará al gato.

Para decidir si el gato está vivo o muerto, debemos abrir la caja y observar al gato. Sin embargo, ¿cuál es el estado del gato antes de que abramos la caja? Según la teoría cuántica, sólo podemos afirmar que el gato esta descrito por una función de onda que describe la suma de un gato muerto y un gato vivo.

Para Schrödinger, la idea de pensar en gatos que no están ni muertos ni vivos era el colmo del absurdo, pero la confirmación experimental de la mecánica cuántica nos lleva inevitablemente a esta conclusión. Hasta el momento, todos los experimentos han verificado, favorablemente, la teoría cuántica.

La paradoja del gato de Schrödinger es tan extraña que uno recuerda a menudo la reacción de Alicia al ver desaparecer el gato de Cheshire en el centro del cuento de Lewis Carroll: “Allí me verás”, dijo el Gato, y desapareció, lo que no sorprendió a Alicia que ya estaba acostumbrada a observar cosas extrañas en aquel lugar fantástico. Igualmente, los físicos durante años se han acostumbrados a ver cosas “extrañas” en la mecánica cuántica.

Existen varias maneras de abordar esta dificultad de lo incomprensible en mecánica cuántica. En primer lugar, podemos suponer que Dios existe.   Puesto que todas las “observaciones” implican un observador, entonces debe haber alguna “conciencia” en el universo. Algunos físicos como el premio Nobel Eugene Wigner, han insistido en que la teoría cuántica prueba la existencia de algún tipo de conciencia cósmica universal.

La segunda forma de tratar la paradoja es la preferida por la gran mayoría de los físicos en activo: ignorar el problema.

El físico Richard Feynman dijo en cierta ocasión:

“Creo que es justo decir que nadie comprende la mecánica cuántica. No siga diciéndose a sí mismo, si puede evitarlo, “¿pero cómo puede ser así?” porque usted se meterá “hasta el fondo” en un callejón sin salida del que nadie ha escapado.  Nadie sabe como puede ser eso.”

 

 

 

 

De hecho, a menudo se ha dicho que de todas las teorías propuestas en el siglo XX, la más absurda es la teoría cuántica. Algunos dicen que la única cosa que la teoría tiene a su favor es que “es indudablemente correcta”.

Sin embargo, existe una tercera forma de tratar esta paradoja, denominada teoría de los muchos universos. Esta teoría (como el principio antrópico) no gozó de mucho favor en la última década, pero está siendo revitalizada por la función de onda del universo de Stephen Hawking.

Existe un principio de la física denominado Navaja de Occam, que afirma que siempre deberíamos tomar el camino más sencillo posible e ignorar las alternativas más complicadas, especialmente si las alternativas no pueden medirse nunca.

Para seguir fielmente el consejo contenido en la navaja de Occam, primero hay que tener el conocimiento necesario para poder saber elegir el camino más sencillo, lo que en la realidad, no ocurre. Nos faltan los conocimientos necesarios para hacer las preguntas adecuadas.

Hugo Everett, Bryce DeWitt y ahora Hawking (también otros), han propuesto la teoría de los universos múltiples. En unos universos los protones se desintegran antes haciendo inestable la materia, en otros, el átomo de uranio se desintegra mediante un proceso sin radiaciones, y en otros universos las constantes universales que existen en el nuestro, son totalmente diferentes y no dan posibilidad alguna para la existencia de seres vivos. Está claro que cualquier variación que en principio pudiera parecer sin importancia, como por ejemplo la carga del electrón, podría transformar radicalmente nuestro universo.

Como apuntó el físico Frank Wilczek:

“Se dice que la historia del mundo sería totalmente distinta si Helena de Troya hubiera tenido una verruga en la punta de su nariz.”

 

Hasta el momento, se han celebrado varias conferencias internacionales sobre la función de onda del universo. Sin embargo, como ocurre en la teoría de supercuerdas, las matemáticas implicadas en la función de onda del universo, parecen estar más allá de la capacidad de cálculo que cualquier humano en este planeta pudiera resolver, y tendríamos que esperar años antes de que aparezca un individuo genial que pudiera encontrar una solución rigurosa a las ecuaciones de Hawking.

emilio silvera

La Física de Partículas y el Modelo estándar

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

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El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?” Demócrito de Abdera nos hablaba del “átomo” y Empédocles de “elemenmtos”, otros, se referían a la sustancia cósmica a la que llamaban Ylem, aquella “semilla” primera que daría lugar a la venida de la materia. ¿No será el Ylem, lo que hoy llaman materia oscura?

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas subatómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

                         Todo lo grande está hecho de “cosas” pequeñas

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su habitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los quarks por medio de los gluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

Las partículas forman átomos, los átomos moléculas y las moléculas sustancias y cuerpos que están hechos por la diversa variedad de elementos que conforma la materia conocida y que, en definitiva, sólo son Quarks y Leptones.

 
Equilibrio y estabilidad: El resultado de dos fuerzas contrapuestas

 

Demos una vuelta por el Modelo Estándar.

 

 

Me quiero referir al Modelo estándar de la física de partículas y de las interacciones fundamentales y, algunos,  han llegado a creer que sólo faltan algunos detalles técnicos y, con ellos, la física teórica está acabada. Tenemos un modelo que engloba todo lo que deseamos saber acerca de nuestro mundo físico. ¿Qué más podemos desear? Los pobres ilusos no caen en la cuenta de que el tal Modelo, al que no podemos negarle su valía como una herramienta muy valiosa para la física, no deja de estar incompleto y, además, ha sido construido con algunos parámetros aleatorios (unos veinte) que no tienen justificación. Uno de ellos era el Bosón de Higgs y, según nos han contado los del LHC, ha sido hallado. Sin embargo, esperamos que nos den muchas explicaciones que no han estado presente en todas las algaradas y fanfarrias que dicho “hallazgo” ha producido, incluidos los premios Principe de Asturias y el Nobel. ¡Veremos en que queda todo esto al final!

 

 

Resultado de imagen de El Modelo Estándar

 

 

Bueno, lo que hasta el momento hemos logrado no está mal del todo pero, no llega, ni con mucho, a la perfección que la Naturaleza refleja y que, nosotros perseguimos sin llegar a poder agarrar sus múltiples entrecijos y parámetros que conforman ese todo en el que, sin ninguna clase de excusas, todo debe encajar y, de momento, no es así. Muchos son los flecos sueltos, muchas las incognitas, múltiples los matices que no sabemos perfilar.

Es cierto que, el Modelo estándar, en algunos momento, nos produce y nos da la sensación de que puede ser perfecto. Sin embargo, esa ilusoria perfección, no es permanente y en algunas casos efímera. En primer lugar, podríamos empezar a quejarnos de las casi veinte constantes que no se pueden calcular. Pero si esta fuese la única queja, habría poco que hacer. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de estos números y se han propuesto varias teorías para “predecir” sus valores. El problema con todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca llegan a ser convincentes.

 

 

 

¿Por qué se iba a preocupar la Naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo,  tal como el proncipio de la relatividad,  pero nos resistimos a abandonar todos los demás principios que ya conocemos; ¡esos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del Modelo estándar! una herramienta que ha posibilitado a todos los físicos del mundo para poder construir sus trabajos en ese fascinante mundo de la mecánica cuántica, donde partículas infinitesimales interactúan con las fuerzas y podemos ver, como se comporta la materia en determinadas circunstancias. El mejor lugar para buscar nuevos principios es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría.

 

 

 

Con esta imagen nos decían:
“Colisión del Bosón de Higgs desintegrándose en fermiones”. Primeras evidencias de un nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs. Las primeras evidencias de la desintegración del recién descubierto bosón de Higgs en dos partículas denominadas tau, pertenecientes a la familia de partículas que compone la materia que vemos en el Universo. Hasta ahora los experimentos del LHC habían detectado la partícula de Higgs mediante su desintegración en otro tipo de partículas denominadas bosones, portadoras de las fuerzas que actúan en la Naturaleza, mientras las evidencias de desintegraciones en fermiones no eran concluyentes. Esta es la primera evidencia clara de este nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs.”

La regla universal en la física de partículas es que cuando las partículas chocan con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructurtas cada vez menores, más pequeñas en el espacio y en el tiempo. Supongamos por un momento que tenemos a nuestra disposición un Acelerador de Partículas 10.000 veces más potente que el LHC, donde las partículas pueden adquirir esas tantas veces más energías de las alcanzadas actualmente. Las colisiones que tendrían lugar nos dirían algo acerca de los detalles estructurales de esas partículas que ahora no conocemos, que serían mucho más pequeñas que las que ahora podemos contemplar. En este punto se me ocurre la pregunta: ¿Seguiría siendo correcto el Modelo estándar? 0, por el contrario, a medida que nos alejemos en las profundidades de lo muy pequeño, también sus normas podrían variar al mismo tiempo que varían las dimensiones de los productos hallados. Recordad que, el mundo no funciopna de la misma manera en nuestro ámbirto macroscópico  que ante ese otro “universo” cuántico de lo infinitesimal.

 

¿Podeis imaginar conseguir colisiones a 70.000 TeV? ¿Que podríamos ver? Y, entonces, seguramente, podríamos oir en los medios la algarada de las protestas de algunos grupos:  “Ese monstruo creado por el hombre puede abrir en el espacio tiempo agujeros de gusano que se tragará el mundo y nos llevará hacia otros universos” Comentarios así estarían a la orden del día. Los hay que siempre están dispuestos a protestar por todo y, desde luego, no siempre llevan razón, toda vez que, la mayoría de las veces, ignoran de qué están hablando y juzgan si el conocimiento de causa necesario para ello. De todas las maneras, sí que debemos tener sumo cuidado con el manejo de fuerzas que… ¡no siempre entendemos! Cuando el LHC se vuelvsa a poner en marcha, se utilizarán energías que llegan hasta los 14 TeV, y, esas son palabras mayores.

¿Justifica el querer detectar las partículas que conforman la “materia oscura”, o, verificar si al menos, podemos vislumbrar la sombra de las “cuerdas” vibrantes de esa Teoria del Todo, el que se gasten ingentes cantidades de dinero en esos artilugios descomunales? Bueno, a pesar de todos los pesares, la respuesta es que SÍ, el rendimiento y el beneficio que hemos podido recibir de los aceleradores de partículas, justifica de manera amplia todo el esfuerzo realizado, toda vez que, no solo nos ha llevado a conocer muchos secretos que la Naturaleza celosamente guardaba, sino que, de sus actividades hemos tenido beneficios muy directos en ámbitos como la medicina, las comunicaciones y otros que la gente corriente desconocen.

Hoy, el Modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero tenemos algunas razones para sospechar que tales predicciones resultan estar muy alejadas de la realidad, o, incluso, ser completamente falsas. Cuando tenemos la posibilidad de llegar más lejos, con sorpresa podemos descubrir que aquello en lo que habíamos creído durante años, era totalmente diferente. El “mundo” cambia a medida que nos alejamos más y más de lo grande y nos sumergimos en ese otro “mundo” de lo muy pequeño, allí donde habitan los minúsculos objetos que conforman la materia desde los cimientos mismos de la creación.

Encendamos nuestro supermicroscopio imaginario y enfoquemosló directamente en el centro de un protón o de cualquier otra partícula. Veremos hordas de partículas fundamentales desnudas pululando. Vistas a través del supermicroscopio, el modelo estándar que contiene veinte constantes naturales, describen las fuerzas que rigen la forma en que se mueven. Sin embargo, ahora esas fuerzas no sólo son bastante fuertes sino que también se cancelan entre ellas de una forma muy especial; están ajustadas para conspirar de tal manera que las partículas se comportan como partículas ordinarias cuando se vuelven a colocar el microscopio en la escala de ampliación ordinaria. Si en nuestras ecuaciones matemáticas cualquiera de estas constantes fueran reemplazadas por un número ligeramente diferente, la mayoría de las partículas obtendrían inmediatamente masas comparables a las gigantescas energías que son relevantes en el dominio de las muy altas energías. El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural.

 

¿Implica el ajuste fino un diseño con propósito? ¿Hay tantos parámetros que deben tener un ajuste fino y el grado de ajuste fino es tan alto, que no parece posible ninguna otra conclusión?

Antes decía: “El hecho de que todas las partículas tengan masa que corresponden a energías mucho menores repentinamente llega a ser bastante poco natural”.  Es lo que se llama el “problema del ajuste fino”. Vistas a través del microscopio, las constantes de la Naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático, no hay nada que objetar, pero la credibilidad del Modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas o, lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas.

¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta ahí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables, ellas podrían modificar completamente el mundo que Gulliver planeaba visitar. Si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste fino de las constantes de la Naturaleza, creamos un nuevo problema:

 

           Es cierto que nuestra imaginación es grande pero… No pocas veces ¡la realidad la supera!

¿Cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste-fino no sea necesario? Está claro que las moficiaciones son necesarias , lo que implica que muy probablemente hay un límite más allá del cual el modelo deja de ser válido. El Modelo estándar no será más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, tal que todos los fenómenos observados hasta el presente están de acuerdo con él, pero cada vez que ponemos en marcha un aparato más poderoso, debemos esperar que sean necesarias nuevas modificaciones para ir ajustando el modelo, a la realidad que descubrimos.

¿Cómo hemos podido pensar de otra manera? ¿Cómo hemos tenido la “arrogancia” de pensar que podemos tener la teoría “definitiva”? Mirando las cosas de esta manera, nuestro problema ahora puede muy bien ser el opuesto al que plantea la pregunta de dónde acaba el modelo estándar: ¿cómo puede ser que el modelo estándar funcione tan extraordinariamente bien? y ¿por qué aún no hemos sido capaces de percibir nada parecido a otra generación de partículas y fuerzas que no encajen en el modelo estándar? La respuesta puede estar en el hecho cierto de que no disponemos de la energía necesaria para poder llegar más lejos de lo que hasta el momento hemos podido viajar con ayuda de los aceleradores de partículas.

Foto de El hallazgo de una nueva partícula abre un nueva era para la física

Los asistentes escuchan la presentación de los resultados del experimento ATLAS, durante el seminario del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) para presentar los resultados de los dos experimentos paralelos que buscan la prueba de la existencia de la “partícula de Higgs,  base del modelo estándar de física.

La pregunta “¿Qué hay más allá del Modelo estándar”? ha estado facinando a los físicos durante años. Y, desde luego, todos sueñan con llegar a saber, qué es lo que realmente es lo que conforma el “mundo” de la materia, qué partículas, cuerdas o briznas vibrantes. En realidad, lo cierto es que, la Física que conocemos no tiene que ser, necesariamente, la verdadera física que conforma el mundo y, sí, la física que conforma “nuestro mundo”, es decir, el mundo al que hemos podido tener acceso hasta el momento y que no necesariamente tiene que coincidir con el mundo real que no hemos podido alcanzar.

O, como decía aquél: ¡Que mundo más hermoso, parece de verdad!

 

                                       Siempre hay más de lo que el ojo ve

No todo lo que vemos es, necesariamente, un reflejo de la realidad de la Naturaleza que puede tener escondidos más allá de nuestras percepciones, otros escenarios y otros objetos, a los que, por ahora,  no hemos podido acceder, toda vez que, físicamente tenemos carencias, intelectualmente también, y, nuestros conocimientos avanzar despacio para conseguir, nuevas máquinas y tecnologías nuevas que nos posibiliten “ver” lo que ahora nos está “prohibido” y, para ello, como ocurre siempre, necesitamos energías de las que no disponemos.

 

Hay dos direcciones a lo largo de las cuales se podría extender el Modelo estándar, tal lo conocemos actualmente, que básicamente se caraterizan así:

- Nuevas partículas raras y nuevas fuerzas extremadamente débiles, y

- nuevas partículas pesadas y nuevas estructuras a muy altas energías.

Podrían existir partículas muy difíciles de producir y de detectar y que, por esa razón, hayan pasado desapaercibidas hasta. La primera partícula adicional en la que podríamos  pensar es un neutrino rotando a derecha. Recordaremos que si se toma el eje de rotación paralelo a la dirección del movimiento los neutrinos sólo rotan a izquierdas, pero… ¡esa sería otra historia!

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Los neutrinos siempre me han fascinado. Siempre se han manifestado como si tuvieran masa estrictamente nula. Parece como si se movieran exactamente con la velocidad de la luz. Pero hay un límite para la precisión de nuestras medidas. Si los neutrinos fueran muy ligeros, por ejemplo, una cienmillonésima de la masa del electrón, seríamos incapaces de detectar en el laboratorio la diferencia éstos y los neutrinos de masa estrictamente nula. Pero, para ello, el neutrino tendría que tener una componente de derechas.

En este punto, los astrónomos se unen a la discusión. No es la primera vez, ni será la última, que la astronomía nos proporciona información esencial en relación a las partículas elementales. Por ejemplo, debido a las interacciones de corriente neutra (las interacciones débiles originadas por un intercambio Zº), los neutrinos son un facto crucial en la explosión  supernova de una estrella. sabemos que debido a las interacciones por corriente neutra, pueden colisionar con las capas exteriores de la estrella y volarlas con una fuerza tremenda.

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En realidad, los neutrinos nos tienen mucho que decir, todavía y, no lo sabemos todo acerca de ellos, sino que, al contrario, son muchos los y fenómenos que están y subyacen en ellos de los que no tenemos ni la menor idea que existan o se puedan producir. Nuestra ignorancia es grande, y, sin embargo, no nos arredra hablar y hablar de cuestiones que, la mayoría de las veces…ni comprendemos.

Aquí lo dejar´ñe por hoy, el tema es largo y de una fascinación que te puede llevar a lugares en los que no habías pensado al comenzar a escribir, lugares maravillosos donde reinan objetos exóticos y de fascinante porte que, por su pequeñez, pueden vivir en “mundos” muy diferentes al nuestro en los que, ocurren cosas que, nos llevan el asombro y también, a ese mundo mágico de lo fascinante y maravilloso.

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

emilio silvera

El reloj más preciso del mundo

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

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 Este fue el reloj atómico de Cesio ahora superado en precisión.

Físicos estadounidenses crean un reloj atómico de estroncio que retrasa o adelanta un segundo cada 15.000 millones de años.

 

 

La precisión de este reloj atómico se apoya en que los átomos de estroncio oscilan 431 billones de veces cada segundo. / MARTI/JILA

 

“Tendrían que pasar 15.000 millones de años para que el nuevo reloj atómico creado por físicos de EE UU retrasara un segundo. Para hacerse una idea, la edad del universo apenas llega a los 14.000 millones de años. El reloj ofrece tal precisión y estabilidad que podrían alumbrar descubrimientos científicos ni siquiera aún imaginados.

Como los relojes mecánicos, los atómicos se aprovechan de las oscilaciones. Pero en su interior no llevan un minúsculo engranaje o péndulo ni cuarzo al que se hace vibrar, sino átomos que oscilan de forma natural a una determinada frecuencia (expresada en hercios). El primer reloj atómico se creó en 1949 y 20 años más tarde, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas adoptó esta tecnología para fijar la duración exacta del segundo: 9.192.631.770 ciclos de un átomo de cesio 133 a una temperatura de cero absoluto. Los relojes atómicos de cesio más avanzados adelantan o atrasan un segundo cada 300 millones de años.

Graphene Whispering Gallery

Físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), de EE UU, de donde salió el primer reloj atómico en 1949, han logrado un doble récord de precisión con un reloj experimental que usa átomos de estroncio en vez de los de cesio. Sus cálculos apuntan a que los agentes que afectan al tictac atómico, como la gravedad o los campos electromagnéticos, necesitarían 15.000 millones de años para que el reloj atrasara o adelantara un segundo.

Una matriz creada por rayos láser atrapa los átomos de estroncio en una cámara de vacío

El enorme incremento en la precisión tiene una base natural y objetiva. Mientras los átomos de cesio 133 tienen aquellos 9.000 millones de ciclos por segundo, los del estroncio lo hacen a un ritmo de 431 billones por segundo. Además de preciso el nuevo reloj atómico es muy estable. En el campo de la cronometría, la estabilidad se refiere a la coincidencia en la duración de cada tictac con los demás. Aquí, esta bestia del tiempo ha mejorado en un 50% respecto a la marca obtenida por este mismo equipo de investigadores el año pasado, según explican en Nature Communications.

Para funcionar, los relojes atómicos usan una red creada con rayos láser que se entrecruzan atrapando los átomos en su baile oscilatorio dentro de una cámara de vacío. Esta malla es una de sus grandes ventajas, ya que apoyan sus mediciones en una nube de átomos y no en uno solo. Además, no hay que enfriar de forma artificial los átomos.

“El reloj opera a temperatura ambiente”, dice en una nota el físico del centro conjunto de investigación del NIST y la Universidad Boulder de Colorado (EE UU), Jun Ye. “Esto es uno de los aspectos más importantes de nuestro enfoque, ya que podemos operar el reloj con una configuración sencilla y mantener al mismo tiempo la incertidumbre por la radiación de cuerpo negro al mínimo”, añade. Esta radiación, relacionada con la temperatura, podría afectar a la precisión del reloj.

Entre las aplicaciones que se podrían aprovechar de esta mejora, están todos los sistemas que necesitan de una medida precisa y estable del tiempo, como el GPS, los sistemas de navegación autónoma o las misiones espaciales. Por ejemplo, las actuales transacciones de alta frecuencia en la bolsa exigen estar referenciadas a algún sistema basado en relojes atómicos.

El físico del NIST, Jun Ye, lleva una década investigando con relojes atómicos basado en átomos de estroncio. / J. Burrus/NIST

Pero estos relojes de estroncio y otros elementos como el iterbio son tan precisos y estables que, dándole una vuelta a su uso, podrán servir para investigar las propias fuerzas que han sido las tradicionales enemigas de la medición exacta del tiempo. Al ser casi inmunes a la acción de la gravedad, los campos magnéticos o la temperatura, podrían convertirse en los mejores sensores para medir el más pequeño cambio en ellas.”

¿Hasta dónde queremos llegar?

Seguimos avanzando en Física

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

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En el Apartado de Física, del lugar conocido como:
Noticias de la Ciencia y la Tecnología (Amazings®  / NCYT®)
He podido leer, la curiosa e interesante3 noticia:
“La supercomputadora JUQUEEN ayuda a explicar la diferencia entre la masa del protón y la del electrón.

La existencia y estabilidad de los átomos depende en gran medida del hecho de que los neutrones son un poco más masivos que los protones. Las masas difieren solo en alrededor de un 0,14 por ciento. Un valor ligeramente más pequeño o más grande de la diferencia de masas habría llevado a un universo radicalmente distinto, con demasiados neutrones, hidrógeno insuficiente, o una escasez excesiva de elementos pesados. La diminuta diferencia de masa es la razón por la que los neutrones libres se desintegran en promedio en alrededor de diez minutos, mientras que los protones (los inmutables ladrillos de la identidad de cada elemento químico) permanecen estables durante un período prácticamente ilimitado.

En 1972, unos 40 años después del descubrimiento del neutrón por Chadwick en 1932, Harald Fritzsch (Alemania), Murray Gell-Mann (Estados Unidos) y Heinrich Leutwyler (Suiza) presentaron una teoría coherente de las partículas y fuerzas que forman el neutrón y el protón, conocida como cromodinámica cuántica.

Ejemplo de estructura de color de un neutrón. Puede observarse la composición de Quarks y la carga de “color” que adopta.

Hoy en día, sabemos que los protones y los neutrones están compuestos por “quarks u” (por la palabra inglesa Up o Arriba) y “quarks d” (por la palabra inglesa Down o abajo). El protón está hecho de un quark d y dos quarks u, mientras que el neutrón está compuesto de un quark u y dos quarks d.

[Img #26440]
La supercomputadora JUQUEEN. (Foto: © Forschungszentrum Jülich)

Las simulaciones en superordenadores realizadas durante los últimos años confirmaron que la mayor parte de la masa del protón y del neutrón resulta de la energía transportada por los quarks que los constituyen, de acuerdo con la fórmula de Einstein E=mc2. Sin embargo, una pequeña aportación del campo electromagnético que rodea al protón cargado eléctricamente debería hacerlo aproximadamente un 0,1 por ciento más masivo que el neutrón, que es neutro. El hecho de que la masa medida del neutrón sea mayor es debido a cierta interacción sutil entre efectos electromagnéticos y efectos asociados a diferencia de masas entre quarks, tal y como un equipo de físicos de Francia, Alemania y Hungría, encabezado por Zoltán Fodor, ha conseguido ahora mostrar mediante simulaciones extremadamente complejas en un trabajo para el que ha sido fundamental la labor de cálculo realizada por la supercomputadora JUQUEEN, del Centro de Investigación de Jülich en Alemania.

Los resultados de este trabajo abren la puerta a una nueva generación de simulaciones que serán empleadas para determinar las propiedades de quarks, gluones y otras partículas.”

Lo que nos debe quedar claro es el hecho de que, la Física nunca duerme, y, cada día que pàsa, imaginamos nuevas maneras para desentrañar los secretos de la Naturaleza y la verdadera condición de la materia que, creemos conocer, y, sin embargo, nos esconde, en forma de secretos por desvelar, muchas y sorprendentes verdades que necesitamos conocer para que, la Humanidad, tenga un futuro más esperanzador que el que, en la actualidad tenemos.