Uno experimentó y habló de magnetismo y campos de fuerzas eléctricos, y, el otro, nos regaló las ecuaciones donde se explicaban todos los fenómenos eléctricos de la Naturaleza.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general; mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas, y apareció Maxwell que finalmente formuló la teoría.

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático, y Einstein sí lo era). Carecía de una versión de los campos de Faraday para la gravedad. Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein. Así que finalmente fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

“¡Qué extraño sería que la teoría final se descubriera durante nuestra vida! El descubrimiento de las leyes finales de la naturaleza marcará una discontinuidad en la historia del intelecto humano, la más abrupta que haya ocurrido desde el comienzo de la ciencia moderna del siglo XVII. ¿Podemos imaginar ahora cómo sería?”

Steven Weinberg

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La relatividad especial en el Blog de Emilio Silvera V.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha creado materia de la luz, saltando la conversión de materia en energía y haciendo chocar partículas con la energía pura, en forma de ondas electromagnéticas.

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Las Funciones de Onda del electrón en un átomo de hidrógeno en diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica no puede predecir la ubicación exacta de una partícula en el espacio, solo la probabilidad de encontrarla en diferentes lugares. Las áreas más brillantes representan una mayor probabilidad de encontrar el electrón.

Einstein tenía razón: la teoría de la relatividad general fue comprobada a escala galáctica “con exquisita precisión”

 

Como resultado de estas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el universo de lo muy pequeño o en el universo de lo muy grande. Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

Las unidades de Planck son las únicas combinaciones de dichas constantes que pueden formarse en dimensiones de masa, longitud, tiempo y temperatura.

 

A distancias comparables con la longitud de Planck, se cree que están sucediendo cosas muy curiosas que rebasan ampliamente los límites de nuestra imaginación.

Mp =	(hc/G)½ =	5’56 × 10-5 gramos
Lp =	(Gh/c3) ½ =	4’13 × 10-33 centímetros
Tp =	(Gh/c5) ½ =	1’38 × 10-43 segundos
Temp.p =	K-1 (hc5/G) ½ =	3’5 × 1032 ºKelvin

 

Estas formulaciones con la masa, la longitud, el tiempo y la temperatura de Planck incorporan la G (constante de gravitación), la h (la constante de Planck) y la c, la velocidad de la luz. La de la temperatura incorpora además, la K de los grados Kelvin.

 

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta y las unidades de Planck nos dicen cuales son. En realidad, es la propia Naturaleza la que marca esos límites que Stoney-Planck, supieron plasmar en ecuaciones que los marcan.

 

m_p = 2.17644·10^-8 Kilogramos

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33 de centímetros, más joven que el tiempo de Planck,  10^-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

 

 

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.  La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1.975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuitería de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

 

 

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (suele aproximarse a 3·10⁸ m/s), o lo que es lo mismo 9,46·10¹⁵ m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz. La se transmitirá a esa velocidad como máximo, nuestro Universo, no permite mayor rapidéz, al menos, por los métodos convencionales.

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1.981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos.

 

(Longitud de Planck que al cuadrado sería de 10^-66 cm²)

 

Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10^-66 cm².  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

 

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.

 

 

Todas las estructuras del universo porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_protón

 

α (Alfa), la Constante de estructura fina equivalente a  1/137

¿Por qué el número 137 es el mayor misterio de la física? El número 137 es el valor de la constante de estructura fina. Esta constante es la que representa la fuerza de la interacción electromagnética. Es decir que tan fuerte se dan a cabo todas las interacciones electromagnéticas del universo.

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Decaimiento β^– de un núcleo. Se ilustra cómo uno de los neutrones se convierte en un protón a la vez que emite un electrón (β^-) y un antineutrino electrónico.

La desintegración Beta del neutrón está mediada por un Bosón W^–,que transforma uno de sus quarks, y se desintegra en el par electrón-antineutrino. Ahora leamos el reportaje de la Revista “Investigación y Ciencia”, referido a la física de partículas y a unas mediciones efectuadas que no son coincidentes.

“Dos técnicas de precisión arrojan valores distintos para el tiempo que tardan los neutrones en desintegrarse. ¿Se trata de un error experimental, o hay un misterio más profundo?

BILL MAYER

En síntesis

Neutrones Libres, ¿pueden “vivir” eternamente?

Los neutrones pueden “permanecer” indefinidamente de manera estable en los núcleos pertenecientes a ciertos isótopos, con mayor probabilidad en aquellos de número atómico menor al del hierro (Z=26), aunque también pueden permanecer establemente en núcleos más pesados.

Sin embargo, cuando los neutrones son liberados a consecuencia ya sea de una reacción de fusión (como aquellas ocurridas en el sol, por ejemplo: H + H à He + n) o una de fisión en la Tierra, o de su separación desde un núcleo inducida por un muon (originado en un rayo cósmico golpeando la atmósfera), pueden suceder varias situaciones con él: i) una es que sea capturado por el núcleo de un isótopo y pase a formar parte del núcleo de otro isótopo estable del mismo elemento o compuesto químico (agua liviana a agua pesada, H₂0 a D₂0). ii) Otra es que la fisión libere neutrones, en cuyo caso puede repetirse cualquiera de las reacciones i), ii). Y la última iv) es que al menos un neutrón liberado no sea “capturado” en ninguno de los procesos descritos, de modo que pase a ser un “neutrón libre”.

 

Un neutrón libre es un neutrón que existe fuera de un núcleo atómico. Mientras que los neutrones pueden ser estables cuando están unidos dentro de los núcleos, los neutrones libres son inestables y se desintegran con una vida media de 886 segundos, unos quince minutos.

Los neutrones libres no son estables: pasados unos 15 minutos, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Conocer con exactitud su vida media es clave para abordar varias cuestiones en física y cosmología.

Existen dos métodos para determinar con precisión la vida media de esta partícula. El primero cuenta los neutrones que quedan en un recipiente después de cierto tiempo; el segundo cuenta los protones generados en su desintegración.

Hace años que una y otra técnica arrojan valores considerablemente dispares. Se cree que la discrepancia obedece a errores sistemáticos en alguno de los experimentos; sin embargo, hasta ahora nadie ha logrado dar con ellos.

Así hemos podido desvelar el secreto de que como se dice antes y se ve en la imagen, el neutrón al desintegrarse sigue este camino:

¹⁴ ₆C → ¹⁴ ₇N + e^–

Este proceso ocurre espontáneamente en neutrones libres, en el transcurso de 885.7(8) s de vida media.

Un neutrón está formado por dos quarks dowm (abajo) y un quark up (arriba), tiene una vida media de 14,761 minutos, es una partícula de la familia de los hadrones en su vertiente bariónica, interacción: con la Gravedad, la nuclear débil y la nuclear fuerte, su símbolo es n, su antipartícula es el antineutrón, la teorizó Rutherford y la descubrió James Chadwick, su masa es de  1,674 927 29(28)×10⁻²⁷ K., la carga eléctrica es cero, espín ½. Se conoce cuando forma parte del átomo por nucleón.

Por suerte para la vida en la Tierra, la mayor parte de la materia no es radiactiva. Aunque no solemos darle demasiada importancia, este hecho no deja de resultar sorprendente, ya que el neutrón (uno de los constituyentes, junto con el protón, de los núcleos atómicos) es propenso a desintegrarse. En el interior de un núcleo típico el neutrón puede vivir durante largo tiempo, pero, aislado, se desintegra en otras partículas en unos 15 minutos. Decimos «unos 15 minutos» para ocultar nuestra ignorancia al respecto, ya que, hasta ahora, no hemos sido capaces de medir con exactitud la vida media de esta partícula.

Estructura de cuarks de un neutrón. Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 14.7 minutos (879,4 ± 0,6 s);​ cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino electrónico y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor.

Resolver este «rompecabezas de la vida media del neutrón» no solo supone una cuestión de orgullo para nuestro gremio, el de los físicos experimentales, sino que resulta también vital para comprender mejor las leyes físicas. La desintegración del neutrón constituye uno de los procesos más sencillos en los que interviene la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Para entenderla por completo, hemos de saber cuánto tarda un neutrón aislado en desintegrarse. Por otro lado, la vida media del neutrón condicionó cómo se formaron los elementos químicos más ligeros después de la gran explosión que dio origen a nuestro universo. A los cosmólogos les gustaría poder calcular las abundancias esperadas de los distintos elementos y contrastarlas con los datos obtenidos por los astrofísicos. Un acuerdo apuntalaría nuestras teorías cosmológicas, mientras que una discrepancia indicaría la existencia de fenómenos físicos aún por descubrir. Pero, para poder llevar a cabo dicha comparación, hemos de conocer con exactitud cuánto vive un neutrón antes de desintegrarse.

Hace más de diez años, dos grupos experimentales, uno en Francia y otro en EE.UU., intentaron medir con precisión la vida media del neutrón. Uno de nosotros (Geltenbort) pertenecía al primer equipo, mientras que el otro (Greene) trabajaba en el segundo. Con sorpresa y cierta inquietud, comprobamos que nuestros resultados diferían de manera considerable. Algunos teóricos sugirieron que la discrepancia podría deberse a fenómenos físicos exóticos, como que parte de los neutrones se hubiesen desintegrado en partículas nunca antes observadas. Nosotros, sin embargo, achacamos la diferencia a una razón mucho más mundana: uno de los grupos —o ambos— tenía que haber cometido algún error o sobreestimado la precisión de sus resultados.

Hace poco, el equipo estadounidense completó un largo y concienzudo proyecto para estudiar la principal fuente de error que afectaba a sus mediciones. Lejos de zanjar la cuestión, sus esfuerzos solo confirmaron los resultados previos. Al mismo tiempo, otros investigadores verificaron los resultados del grupo de Geltenbort. Esta discrepancia nos ha dejado más perplejos de lo que ya estábamos, pero no hemos abandonado. Por el momento, ambos equipos y otros físicos experimentales seguimos buscando una respuesta.

CRONOMETRAR NEUTRONES

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos)

En teoría, determinar la vida media del neutrón es sencillo. Entendemos bien la física del proceso y disponemos de las herramientas adecuadas para estudiarlo. Sabemos que, siempre que una partícula pueda desintegrarse en otras de menor masa, acabará haciéndolo si en el proceso se conservan ciertas propiedades, como la carga eléctrica o el espín. En la llamada desintegración beta, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino. Las masas de estas tres partículas suman algo menos que la masa del neutrón, pero la carga y el espín totales permanecen idénticos. Entre las cantidades conservadas se incluye la suma de masa y energía, por lo que las tres partículas finales incorporan esa pequeña diferencia de masa en forma de energía cinética.”

Nota: El artículo me ha sido enviado por Don José Gómez, un contertulio y visitante de ésta página que, con buen criterio, apunta que en cuanto a esas diferencias, las pruebas deben ser repetidas en distintos lugares y, si es posible, por distintos científicos también, ya que, en física de partícula, los resultados de un experimento, debe coincidir sin fisuras.

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Nunca podremos dejar de maravillarnos ante las “cosas” que puede realizar la Naturaleza para conseguir sus fines. y, como dice Leonard Susskind, para comprender la realidad en sus niveles más elementales, basta con conocer el comportamiento de dos elementos: el electrón y el fotón. Todo el argumento de la Electrodinámica Cuántica gira en torno a un proceso fundamental:

¡La emisión de un único fotón por un único electrón!

 

Cuando el movimiento de un electrón es alterado súbitamente, puede responder desprendiendo un fotón. La emisión de un fotón es el suceso básico de la mecánica cuántica. Toda la luz visible que  vemos, así como las ondas de radio, la radiación infrarroja y los rayos X, está compuesta de fotones que han sido emitidos por electrones, ya sea en el Sol, el filamento de una bombilla, una antena de radio o un aparato de rayos.

Los fotones viajan por todo el Universo

El fotón es la partícula de luz portadora la interacción electromagnética. Un fotón se caracteriza por su energía o, equivalentemente, por su frecuencia. Las partículas elementales responsables de la luz y de la radiación electromagnética. ¿Dónde se producen fotones? Se emiten en varios procesos naturales. Por ejemplo, cuando una carga se acelera, se emite radiación sincrotrón. Durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, se emitirán fotones de varias energías o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula. Cuando un electrón cae de n=2 a n=1, el emite un fotón de luz ultravioleta. El fotón es una partícula cuántica elemental, sin masa, encargada de transportar la energía electromagnética entre partículas con carga eléctrica. Cada vez que un electrón pasa de un estado de excitación mayor a uno menor, se genera un fotón. La luz visible está compuesta por fotones (palabra que significa “luz”), un tipo de partículas elementales que carecen de masa. Los fotones se comportan de manera dual: como ondas y como partículas. Esta dualidad dota a la luz de propiedades físicas singulares. Los fotones transportan energía electromagnética. Esta energía incluye la luz visible que podemos ver y muchos otros tipos de formas de energía de menor y mayor energía. Los fotones son las partículas más pequeñas posibles de energía electromagnética y, por tanto, también las partículas de luz más pequeñas posibles. os fotones son emitidos por muchos procesos naturales, como cuando las partículas cargadas se ralentizan durante una transición molecular, atómica o nuclear a un nivel de energía más bajo, o cuando se aniquila una partícula con su antipartícula. Como apuntaba antes por ahí arriba: Un fotón se produce cada vez que un electrón en una órbita más alta de lo normal vuelve a su órbita normal . Durante la caída de energía alta a energía normal, el electrón emite un fotón (un paquete de energía) con características muy específicas.

¿Qué es más pequeño que un fotón?

Los quarks son ciertamente unas de las partículas más pequeñas del universo. Son elementales, indivisibles y no se pueden romper en piezas menores. De hecho, se las considera puntuales como el electrón, el fotón, el gluón y el neutrino, entre otras que conforman el modelo estándar de la física de partículas.

Cuando un fotón viajero choca con un electrón que orbita un átomo, el electrón desaparece del nivel en el que estaba, y, de inmediato, aparece en otro superior, sin saber por qué camino viajó, es el misterioso Efecto Túnel.

El Fotón es un Bosón, el que intermedia todas las emisiones de energía electromagnética y, desde luego, es una de las partículas más familiares, gracias a ella podemos disfrutar de los rayos del Sol, se produce la fotosíntesis y es posible la Vida en nuestro planeta.

LA PRIMERA IMAGEN DE UNA PARTÍCULASS DE LUZ

Claro que, los electrones no son las únicas partículas que pueden emitir fotones. Cualquier partícula eléctricamente cargada puede hacerlo, incluido el protón. Esto significa que los fotones pueden saltar entre dos protones o incluso entre un protón y un electrón. Este hecho es de enorme importancia para toda la ciencia y la vida en general. El intercambio continuo de fotones entre el núcleo y los electrones atómicos proporciona la fuerza que mantiene unido el átomo.

Sin estos fotones saltarines, el átomo se desharía y toda la materia dejaría de existir, y, no podemos olvidar que, también nosotros, los seres vivos… ¡Somos materia!

Decía que la Naturaleza hace las cosas más inverosímiles y de la manera más económica posible y, ha sabido crear esos objetos pequeñitos (infinitesimales como lo son las partículas subatómicas) que ha agrupado en familias. Los electrones son de la Familia de los Leptones y son fermiones, mientras que los fotones pertenecen a la familia de los Bosones. Los primeros no quieren estar juntos y se repelen cuando andan cerca los unos de los otros, mientras que los segundos, están encantados de la vida cuando se juntan muchos, de hecho, la Luz es un conjunto de fotones que, realmente, ilumina nuestras vidas.

Veamos el Efecto fotoeléctrico

Este trabajo fue el que le dio el Nobel a Einstein

Conceptos de Electroestática, Electrización, conductores, aislantes, Carga, Energía y Tensión Eléctrica

El fenómeno del efecto fotoeléctrico es una forma de mostrar el carácter corpuscular de la radiación electromagnética al interactuar la radiación y la materia, para lo cual se requiere fotoconductividad que hace referencia al aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz y la presencia del efecto fotovoltaico que implica una transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica.

Para que ocurra el efecto fotoeléctrico descubierto por Heinrich Hertz en 1887 (Que Einstein desarrolló en su famoso trabajo de 1.905 que le valió el Nóbel de Física de 1.923), se observa la liberación de los electrones de enlaces de átomos y moléculas de la sustancia bajo acción de la luz: visible, infrarroja y ultravioleta; en sus experimentos halla un arco que se forma entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanzando distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad.

Se caracteriza por:

El potencial de ionización primario de un átomo es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón de un átomo neutro aislado en su estado fundamental. Cuando el átomo pierde un electrón se forma un ión con carga positiva. Se representa como PI.

El electrón absorbe una energía E (energía cinética del electrón emitida).

La energía de un fotón se obtiene:

h = constante de Planck 

v = frecuencia de la radiación electromagnética

El trabajo daría para mucho más pero, como simplre referencia, aquí lo dejamos.

Emilio Silvera V.

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