Uno de los mayores misterios de la Ciencia es el hecho de que los objetos macroscópicos (una mesa, una casa, una pelota, un planeta, una persona…) siguen una serie de leyes físicas que, literalmente, no funcionan en el mundo de las partículas subatómicas. En la escala de lo infinitamente pequeño, en efecto, cualquier objeto o ser vivo convencional se compone de un conjunto más o menos numeroso de partículas.

“El valor de la función de onda  asociada con una partícula en movimiento esta relacionada con la probabilidad de encontrar a la partícula en el punto (x,y,z) en el instante de tiempo t.”

Y esas partículas, por separado, son capaces de hacer cosas que los conjuntos de partículas, como nosotros, o las mesas y las casas, no pueden. Aparecer y desaparecer a voluntad, estar en varios lugares al mismo tiempo, comunicarse de forma instantánea o, incluso, viajar adelante y atrás en el tiempo, son solo algunas de las extraordinarias propiedades a las que los físicos han tenido que ir acostumbrándose a la hora de lidiar con los constituyentes íntimos de la materia.

Para guiarse en ese mundo extraño, fue necesario crear toda una nueva Física, la Mecánica Cuántica, que describe, o trata de describir, lo que podemos esperar encontrarnos en el extraño reino de los protones, los electrones, los quarks y el resto de las partículas subatómicas que forman parte del Modelo Estandar y que conforman la realidad física que nos rodea.

Ni que decir tiene que para un profano en la materia, la Mecánica Cuántica resulta abstracta y difícil de comprender. Pero una reciente encuesta publicada por la revista New Scientist demuestra que tampoco los físicos se ponen de acuerdo a la hora de definir cuál es exactamente la realidad que la Mecánica Cuántica describe. Y lo que es más, a un buen número de ellos ni siquiera les importa. En otras palabras: en esta cuestión, los propios físicos están igual de perdidos que el resto de los mortales.

En la encuesta participaron 149 físicos. El 39% de ellos mostró su apoyo a la interpretación de Copenhague, que es el retrato “clásico” de la mecánica cuántica, formulado por el físico danés Niels Bohr en 1927. Otro 25%, sin embargo, prefirió otras interpretaciones alternativas y un impresionante 36% declaró no tener preferencia alguna al respecto. Es más, muchos de los encuestados afirmaron no estar seguros de comprender lo que una u otra interpretación significan realmente.

La autora del artículo de New Scientist, Sophia Chen, sostiene que la interpretación convencional, la que obtuvo un mayor porcentaje en la encuesta, es también la primera (y a menudo la única) que los físicos aprenden, y eso no significa, en absoluto, que sea la más acertada.

                            Niels Bohr.                          Max Born

“Con el nombre de interpretación de Copenhague se hace referencia a la interpretación de la mecánica cuántica considerada tradicional u ortodoxa. Fue formulada en 1927 por el físico danés Niels Bohr, con ayuda de Max Born y Werner Heisenberg, entre otros, durante una conferencia realizada en Como, Italia. Se conoce así debido al nombre de la ciudad en la que residía Bohr.”

“Y por tanto para partículas macroscópicas, dada la pequeñez de la constante de Planck, los efectos cuánticos resumidos en el segundo miembro se anulan, lo cual explica porqué los efectos cuánticos sólo son apreciables a escalas subatómicas.”

Imágenes del Lago de Como en Italia donde tuvo lugar aquella famosa reunión

 

La interpretación de Copenhague utiliza la ecuación de Scrödinger para predecir los resultados de los experimentos en física cuántica, e incorpora el principio de incertidumbre, según el que no se puede conocer, al mismo tiempo, el momento y la velocidad de una partícula dada. De hecho, para observar una partícula, es necesario bombardearla con otras partículas, lo que cambia bruscamente su trayectoria y afecta a los resultados de la observación.

Los críticos, por su parte, subrayan la inconsistencia de lo que sabemos sobre el mundo cuántico con las leyes de la Naturaleza. Por eso, recurren a otras interpretaciones, como la de los multiversos, formulada por el australiano Howard Wiseman en 2014 y según la cual los fenómenos cuánticos surgen de la interacción de múltiples universos que, sin embargo, están regidos por el mismo conjunto de leyes. “Es muy extraño, lo admito -explica el propio Wiseman a New Scientist- pero un conjunto de universos paralelos que obedecen a las mismas leyes es algo bastante menos extraño que un único Universo con excepciones a sus reglas, como dice la interpretación de Copenhague”.

El 32% de los encuestados afirmó no entender lo suficiente ninguna de las interpretaciones como para hacerse una opinión, mientras que otro 23% aseguró que cualquier interpretación resulta irrelevante. Algunos llegaron a sostener que muchas interpretaciones del mundo cuántico nunca podrán ser verificadas experimentalmente, ya que pertenecen más al terreno de la filosofía que al de la física.

En resumen, concluye el artículo, el gran número de posibles soluciones podría ser un indicativo de que, quizás, ninguna de ellas está en el camino correcto. Llevamos ya un siglo discutiendo sobre el tema y todo apunta a que lo haremos durante por lo menos otro siglo más. Según dijo en su día el propio Niels Bohr, considerado como uno de los padres de la Mecánica Cuántica, “lo que nosotros llamamos realidad está hecha de cosas que no pueden ser consideradas reales. Si la mecánica cuántica no le ha impactado profundamente, es que no la ha entendido todavía”.

Publica: emilio silvera

  Universo, Ciencia, Consciencia…¡Futuro!

 

 

El Universo es todo lo que existe: Espacio-tiempo y materia “inerte” y “animada”, grandes objetos dinámicos como las estrellas y galaxias, también los mundos, y, en todo ese complejo escenarios de diferentes “cosas”, están las fuerzas fundamentales y las constantes universales que hacen que todo sea como lo podemos observar.

Si la masa del Protón, o, la carga del electrón, variaran aunque sólo fuera una diezmillonésima… ¡La Vida, tal como la conocemos no existiría.

La Ciencia nunca ha estado en posesión de la verdad absoluta, ha tenido que ir construyendo un espinoso y doloroso camino de pequeños descubrimientos mediante el experimento y la observación que nos ha situado en un nivel aceptable para poder dar el salto para poder desvelar los secretos de la Naturaleza que se nos resisten en todas las disciplinas del saber humano. Sabemos que las preguntas siguen siendo más abundantes que las respuestas.

 

De la Conciencia se ha escrito mucho y sabe muy poco. El funcionamiento de la Conciencia que lo escenificamos con el diablillo que nos habla a la oreja, nos aparece cuando no actuamos bien y nos queda esa amargura de la culpabilidad. También es la consciencia es saber de algo, ver de manera clara y precisa el significado de un todo complejo.

Parece que conciencia tenemos todos y, sin embargo, en unos se deja “ver” más que en otros que la tienen acomodaticia y apegada a sus propios intereses. Otros, no podemos soportar esas molestas voces en nuestro interior que recriminan un acto.

De la otra Consciencia, la que se refiere a la comprensión, es muy cara y no todos hemos podido desarrollar un intelecto que nos permite comprender algunas cuestiones complejas, y,. cuando eso pasa… divagamos y planteamos conjeturas de lo que podría ser.

¡El Futuro! Un Tiempo por venir, que no existe, y, cuando llega… ¡Se ha convertido en Presente! Ahora mismo, mientras escribo ésta línea de mis pensamientos, estoy en el Presente que, de inmediato… ¡Se ha ido al Pasado! Y, lo que escribiré en el Futuro sólo existe en mi imaginación que cuando sea plasmado en la superficie en blanco, será de nuevo Presente.

Estamos confinados en un Eterno Presente que recuerda el Pasado e imagina el Futuro incierto, ese tiempo que nunca podremos conocer, sólo imaginarlo podemos y, sin ninguna certeza de lo que pueda ser, ya que, las variantes son infinitas y, también el Azar, está ahí.

La fascinación que desde siempre ha producido el Tiempo en los grandes Pensadores ha sido grande, y, ninguno de ellos pudo reflejar (con acierto pleno) lo que el Tiempo es.

El “principio antrópico”

 

¿Estaría programada la presencia de los seres vivos inteligentes en el Universo?

Por fuerza la cosmología conduce a cuestiones fronterizas entre ciencia experimental, filosofía y religión. No es solo el caso de los sabios antiguos. También los físicos de hoy se plantean preguntas de esa clase, sobre todo a propósito del llamado “principio antrópico”. A partir de los conocimientos actuales, este principio señala que las leyes y magnitudes físicas fundamentales parecen cuidadosamente afinadas para que la formación y el desarrollo del universo pudieran dar lugar a la vida en la Tierra y en otros planetas idóneos para acogerla.

 

Explosión supernova que dejó en el Espacio Interestelar una Nebulosa molecular gigante. Surgió una anomalía gravitatoria que formó un inmenso grumo de materia que giraba y atraía más material condensando en el centro que adquirió una enorme temperatura haciendo “nacer” la proto-estrella. Se formó la estrella y todo aquel ingente material se transformó en plasma que, los giros violentos, comenzaron a eyectar “pedazos” que se alejaban del nuevo Sol, y, se situaban a diferentes distancias según la masa que tenían,

Cuando aquellos “pedazos” comenzaron a enfriarse, rotando sin cesar sobre sí mismo y alrededor de la nueva estrellas, se convirtieron en los mundos que ahora conocemos, y, el tercero a partir del Sol es el nuestro, la Tierra que cayó en la zona habitable para que ahora os lo pueda contar.

En realidad, si alguien nos preguntara: ¿De dónde salió nuestro Sistema Solar?, no lo tendríamos nada fácil para dar una respuesta satisfactoria (por cierta) y, nos tendríamos que limitar a especular conforme a los conocimientos astronómicos que tenemos, sobre lo que aquí pudo pasar hace ahora de ello unos 5.000 millones de años. Por aquel entonces (un poco antes quizás), la región brilló intensamente, una Supernova explotó y dejó tras ella una Nube de Gas y Polvo que se contrajo con la ayuda de la fuerza de Gravedad y, giró y giró mientras se contraía más y más hasta que, en su centro, la presión y la temperatura hicieron surgir una proto-estrella a partir de la cual surgieron los planetas y demás objetos que conforman todo el Sistema que es nuestra casa.

El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria. Esa radiación, al chocar con los elementos que envuelven nuestro planeta y su atmósfera, en algunos lugares de la Tierra producen las fascinantes auroras boreales y australes.

Esta espectacular aurora boreal fue captada sobre la aldea de Ersfjordbotn cerca de Tromso, en el norte de Noruega, en el amanecer del 21 de febrero. Las auroras son causadas por la interacción entre las partículas energéticas cargadas del Sol y las moléculas de gas en la atmósfera superior de la Tierra, a unos 100 kilómetros de altura.El viento solar exhalado por el sol con especial volumen hace poco a una velocidad de aproximadamente 500 kilómetros por segundo colaboró en la espectacularidad en este caso.

Trayectorias de las partículas cargadas en un campo magnético — Cuaderno de Cultura Científica

Al llegar a la Tierra, las partículas cargadas son atraídas por el campo magnético terrestre en los polos, donde chocan con las moléculas de gas en la atmósfera superior, haciendo que emitan luz.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética. Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo. Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con una longitud de onda más corta.

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto; si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cerca del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

                 Rayos cósmicos contra las células cuando se producen grandes erupciones solares

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera, llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez; en 1.968, otros núcleos como el del uranio. Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

Ahora bien, la siguiente partícula inédita (después del neutrón) se descubrió en los rayos cósmicos. A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento. Paul Adrien Dirac había aducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su antipartícula (los científicos desean no sólo que la naturaleza sea simple, sino también simétrica). Así pues, debería haber un antielectrón, salvo por su carga que sería positiva y no negativa, idéntico al electrón; y un antiprotón, con carga negativa en vez de positiva.

La ecuación de Dirac que predijo la existencia del Positrón

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia. Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el antielectrón. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas. Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Arriba una imagen que ilustra a la Heliosfera, la parte del espacio que está directamente afectada por el Sol a través del viento solar. Es la estructura magnética del viento solar quien hace de escudo contra las enérgicas partículas de los rayos cósmicos. Las variaciones en el viento solar (o en la actividad solar) cambia el flujo de los rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético. Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor. Descubrió que, cuando cruzaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara; y descubrió algo más. A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón. ¡Allí estaba, pues, el antielectrón de Dirac! Anderson le dio el nombre de positrón. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos. Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

“Un positrón es una partícula de tipo elemental (ya que no existen evidencias de que esté compuesta por otras partículas más simples) cuya carga eléctrica resulta igual a la que posee el electrón, aunque positiva. Por esta característica, se dice que el positrón es la antipartícula de esta partícula subatómica.”

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo si el idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?). Además, su existencia puede ser indefinida. Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones. Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

 

“Primer Congreso Solvay (1911), financiado por el “rey de la sosa cáustica”, el belga Ernest Solvay y en el que tomaron parte todas las luminarias de la ciencia. Nernst, Poincaré, Langevin, Rutherford, Lorentz, Planck y Marie Curie están en primera fila de la fotografía y no es difícil reconocer a Einstein junto a ellos. Terminado el Congreso, Marie relató a Louis de Broglie los debates sobre el fotón y su naturaleza dual, de onda y partícula.

De Broglie, ante los resultados de Compton, se preguntaba en la tesis doctoral que presentó en 1924 si acaso la inversa del efecto Compton sería cierta: si las ondas son partículas ¿no serán ondas las partículas? Al recibir el premio Nobel en 1929, Louis de Broglie diría: “Para ambas, materia y radiación, la luz en especial, es necesario introducir los conceptos de partícula y de onda a la vez. En otras palabras, se tiene que suponer siempre la existencia de partículas acompañadas por ondas.”

                                                                       Iguales con carga eléctrica diferentes

Así, durante un momento relampagueante quedaron asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruark sugirió que se diera el nombre de positronio a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco Martin Deutsch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo. El encuentro del electrón-positrón provoca un aniquilamiento mutuo; sólo queda energía en forma de radiación gamma. Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa. Por cierto, que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de rayos gamma para dar origen a una pareja electrón-positrón. Este fenómeno se llama producción en pareja. Anderson compartió con Hess el premio Nobel de Física de 1.936.

 

1936. Victor Franz Hess & Carl David Anderson

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y al hacerlo así realizaron, de paso, un importante descubrimiento. Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no sólo se obtenían protones, sino también positrones. Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó. Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva. He aquí la interpretación de lo ocurrido según los Joliot-Curie: cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (número atómico 13) en fósforo (número atómico 15). Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27 al fósforo 31. Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Arriba teneis el proceso conocido como triple alfa: Una maravilla de la que se vale la Naturaleza para fabricar el Carbono en las estrellas.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta reacción nuclear:

aluminio 27 + helio 4 = silicio 30 + hidrógeno 1

Nótese que los números másicos se equilibran:

27 + 4 = 30 + 1

Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

 

   Joliot – Curie

Tan pronto como los Joliot-Curie crearon el primer isótopo radiactivo artificial, los físicos se lanzaron en tropel a producir tribus enteras de ellas. En realidad, las variedades radiactivas de cada elemento en la tabla periódica son producto de laboratorio. En la moderna tabla periódica, cada elemento es una familia con miembros estables e inestables, algunos procedentes de la naturaleza, otros sólo del laboratorio. Por ejemplo, el hidrógeno presenta tres variedades: en primer lugar, el corriente, que tienen un solo protón. En 1.932, el químico Harold Urey logró aislar el segundo. Lo consiguió sometiendo a lenta evaporación una gran cantidad de agua, de acuerdo con la teoría de que los residuos representarían una concentración de la forma más pesada del hidrógeno que se conocía, y, en efecto, cuando se examinaron al espectroscopio las últimas gotas de agua no evaporadas, se descubrió en el espectro una leve línea cuya posición matemática revelaba la presencia de hidrógeno pesado.

 

      núcleos de hidrógeno pesado.

El núcleo de hidrógeno pesado está constituido por un protón y un neutrón. Como tiene un número másico de 2, el isótopo es hidrógeno. Urey llamó a este átomo deuterio (de la voz griega deutoros, “segundo”), y el núcleo deuterón. Una molécula de agua que contenga deuterio se denomina agua pesada, que tiene puntos de ebullición y congelación superiores al agua ordinaria, ya que la masa del deuterio es dos veces mayor que la del hidrógeno corriente. Mientras que ésta hierve a 100º C y se congela a 0º C, el agua pesada hierve a 101’42º C y se congela a 3’79º C. El punto de ebullición del deuterio es de -23’7º K, frente a los 20’4º K del hidrógeno corriente. El deuterio se presenta en la naturaleza en la proporción de una parte por cada 6.000 partes de hidrógeno corriente. En 1.934 se otorgó a Urey el premio Nobel de Química por su descubrimiento del deuterio.

Reacciones de fusión nuclear

Reacciones de deuterio – tritio:

 

Esta es una de las dos reacciones de fusión nuclear más básicas que se conocen: en ella intervienen como reactivos un núcleo de deuterio (D) y uno de tritio (T). Si dichos reactivos se aproximan entre sí a velocidades adecuadas, se unen formando un núcleo compuesto (centro), que es inestable y se desintegra rápidamente produciendo un núcleo de helio (He) y un neutrón. El proceso de formación del núcleo compuesto se denomina fusión nuclear (de deuterio y tritio en el caso que estamos considerando). El tritio es radioactivo, el deuterio no. Esta es una de las dos reacciones de fusión nuclear más básicas que se conocen: en ella intervienen como reactivos un núcleo de deuterio.

El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P. Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituido por un protón y dos neutrones. La reacción se planteó así:

hidrógeno 2 + hidrógeno 2 = hidrógeno 3 + hidrógeno 1

Este nuevo hidrógeno superpesado se denominó tritio (del griego tritos, “tercero”); su ebullición a 25º K y su fusión a 20’5º K.

 

Reacciones de deuterio – deuterio:

En ella, dos núcleos de deuterio se fusionan formando un núcleo compuesto inestable (centro) que rápidamente decae siguiendo uno de dos posibles caminos: el ilustrado en la parte superior, que produce un núcleo de helio y un neutrón; y el indicado en la parte de abajo, donde se produce un núcleo de tritio y un protón. El camino que seguirá el núcleo compuesto para decaer, es impredecible con exactitud. Sólo puede afirmarse que el 50% de las veces, la naturaleza sigue el de arriba, y el 50% restante, el de abajo.