En 1.849, el físico francés Armand-Hippolyte-Louis Fizeau ideó un artificio mediante el cual se proyectaba la luz sobre un espejo situado a 8 km de distancia, que devolvía el reflejo al observador.  El tiempo empleado por la luz en su viaje de ida y vuelta no rebasó apenas la 1/20.000 de segundo, pero Fizeau logró medirlo colocando una rueda dentada giratoria en la trayectoria del rayo luminoso.  Cuando dicha rueda giraba a cierta velocidad, regulada, la luz pasaba entre los dientes y se proyectaba contra el siguiente, al ser devuelta por el espejo; así, Fizeau, colocado tras la rueda, no pudo verla.  Entonces se dio más velocidad a la rueda, y el reflejo pasó por la siguiente muesca entre los dientes, sin intercepción alguna. De esa forma, regulando y midiendo la velocidad de la rueda giratoria, Fizeau pudo calcular el tiempo transcurrido y, por consiguiente, la velocidad a que se movía el rayo de luz.

Jean-Bernard-Léon Foucault suspendió una bola de 62 libras (unos 28 kilogramos) de hierro desde la cúpula del Panteón y lo puso en movimiento, balanceándolo. Para marcar su progreso el enganchó una aguja a la bola y colocó un anillo de tierra mojada en el suelo bajo él. La audiencia observó con pavor como el péndulo inexplicablemente parecía rotar, dejando un trazo ligeramente distinto en cada balanceo. En realidad era el suelo del Panteón el que estaba ligeramente en movimiento, y Foucault había demostrado, de una forma más convincente que nunca, que la tierra gira sobre su eje. En la latitud de París, el trazo del péndulo completaría una rotación completa en el sentido horario cada 30 horas; en el hemisferio sur rotaría en sentido antihorario, y en el ecuador no rotaría nada. En el Polo Sur, como han confirmado los científicos de la era moderna, el periodo de rotación es de 24 horas.

Un año más tarde, Jean Foucault (quien realizaría poco después su experimento  -arriba- con los péndulos) precisó más estas medidas empleando un espejo giratorio en ve de una rueda dentada.  Entonces se midió el tiempo transcurrido desviando ligeramente el ángulo de reflexión mediante el veloz espejo giratorio.  Foucault obtuvo un valor de la velocidad de la luz de 300.883 km/s.  También, el físico francés utilizó su método para determinar la velocidad de la luz a través de varios líquidos.  Averiguó que era notablemente inferior a la alcanzada en el aire.  Esto concordaba también con la teoría ondulatoria de Huyghens (abajo).

La naturaleza de la luz. Profesor escrupuloso, aunque poco entusiasta, Newton se dedicó a estudios de óptica que le llevaron, a través de una serie de experimentos, al famoso descubrimiento de la descomposición de la luz blanca, que fue explicada por él mediante una teoría corpuscular de la luz destinada a dar jaque a la teoría ondulatoria de C. Huygens y a dominar durante todo el siglo XVIII. Experimentos, descubrimientos e hipótesis sobre la luz fueron hechos públicos en una memoria a la Royal Society. Pero las tempestuosas disputas suscitadas por esta memoria le disgustaron hasta el punto de que se abstuvo de publicar sus Lecciones de óptica (desarrolladas en la cátedra lucasiana entre 1668 y 1671), las cuales sólo vieron la luz en 1729. No obstante, en 1675 presentó a la Royal Society una importante memoria, que constituirá después la base de su Óptica, en la que, partiendo de los experimentos sobre la coloración de laminillas metálicas, expone los principios de su teoría sobre la luz. En la imagen, El descubrimiento de la refracción de la luz de Newton (1827), óleo del pintor italiano Pelagio Palagi.

Einstein and Robert A. Millikan en 1931" width="217" height="165" />

Michelson fue más preciso aún en sus medidas.  Este autor, durante cuarenta años largos, a partir de 1.879, fue aplicando el sistema Fizeau-Foucault cada vez con mayor refinamiento, para medir la velocidad de la luz.  Cuando se creyó lo suficientemente informado, proyectó la luz a través de vacío, en vez de hacerlo a través del aire, pues este frena ligeramente su velocidad, y, empleó para ello tuberías de acero cuya longitud era superior a 1’5 km.  Según sus medidas, la velocidad de la luz en el vacío era de 299.730 km/seg. (Sólo un 0’006% más bajo).  Demostraría también que todas las longitudes de ondas luminosas viajan a la misma velocidad en el vacío.

En 1972, un equipo de investigadores bajo la dirección de Kenneth M. Eveson efectuó unas mediciones aún más exactas y vio que la velocidad de la luz era de 299.727’74 km/seg. Una vez se conoció la velocidad de la luz con semejante precisión, se hizo posible usar la luz, o por lo menos formas de ella, para medir distancias.

Desde Galileo con sus lámparas, cada vez se han utilizado aparatos más sofisticados para medir la velocidad de la luz, y, finalmente, se consiguió medirla de manera muy exacta en 299.792.458 metros por segundo que, es el límite que algo puede alcanzar corriendo por el espacio vacío y que sólo ha conseguido la luz.

Aunque para algunos resulte alto tedioso el tema anterior, no he podido resistirme a la tentación de exponerlo, así podrá saber algo más sobre la luz y, habrán conocido a personajes que hicieron posible el que ahora nosotros, la conozcamos mejor.

Podría continuar, hasta el final de este trabajo, hablando de la luz y sus distintas formas o aplicaciones: ondas de luz a través del espacio, de cómo se transmite la luz en el “vacío”, nos llega a través del espacio desde Galaxias situadas a miles de millones de años luz; las líneas de fuerzas electromagnéticas de Faraday y Maxwell de campos eléctricos y magnéticos cambiantes (todo ello explicado en un simple conjunto de cuatro ecuaciones, que describían casi todos los fenómenos referentes a esta materia electromagnética), o de los enigmas aún por descubrir (aunque predichos).

Muchos han ido a la caza de los monopolos magnéticos que, deben ser raros en el Universo, si finalmente existen. Parece que, algunos físicos han conseguido alguna cosa…no se bien qué sobre su existencia.

En 1.931, Dirac, acometiendo el asiento de una forma matemática, llegó a la conclusión de que sí los monopolos magnéticos existían, sería necesario que todas las cargas eléctricas fuesen múltiplos exactos de una carga más pequeña, como en efecto así es.  Y dado que todas las cargas eléctricas son múltiplos exactos de alguna carga más pequeña, ¿no deberían en realidad existir los monopolos magnéticos?

En 1.974, un físico joven y prometedor (más tarde ganó el Nobel), Gerard’t Hooft, y un físico soviético, Alexander Poliakov, mostraron, independientemente, que podía razonarse, a partir de las grandes teorías unificadas, que los monopolos magnéticos debían así mismo existir, y que debían poseer una masa enorme.  Aunque un monopolo magnético sería incluso más pequeño que un protón, debería tener una masa que sería de 10 trillones a 10 cuatrillones mayor que la del protón.  Eso equivaldría a la masa de una bacteria comprimida en una diminuta partícula subatómica.

Sería la confirmación de una teoría de 1931. Si seres de otros mundos han podido verlos, habrían visto otro tipo de magnetismo los llamados “monopolos magnéticos”.

Semejantes partículas sólo podían haberse formado en el momento de la gran explosión (otra vez volvemos al origen). Desde entonces, no ha existido la suficientemente alta concentración de energía necesaria para formarla.  Esas grandes partículas deberían avanzar a unos 225 km por seg., más o menos, y la combinación de una enorme masa y un pequeño tamaño le permitiría deslizarse a través de la materia sin dejar el menor rastro de presencia.  Esta propiedad, de hecho, está relacionada directamente con el fracaso obtenido en su búsqueda.

Los físicos están tratando de idear un mecanismo capaz de poder detectar, con claridad, el paso de monopolos magnéticos.

Podríamos decir que, un monopolo magnético es una entidad magnética hipotética consistente en un polo Norte o Sur elemental aislado.  Ha sido postulado como una fuente de campo magnético en analogía a la forma en que las partículas eléctricamente cargadas producen un campo eléctrico.

Se han diseñado numerosos experimentos ingeniosos para detectar monopolos, pero hasta ahora, ninguno ha producido un resultado definitivo. Los monopolos magnéticos son predichos en ciertas teorías gauge con bosones de Higgs.  En particular, algunas teorías de gran unificación predicen monopolos muy pesados (con masas del orden de 10¹⁶ geV). Se habló de su aparición en los primeros experimentos del LHC, algunos denunciaron eso junto con la aparición de agujeros negros microscópicos pero, de momento…nada

Los monopolos magnéticos también son predichos en las teorías de Kaluza-Klein (5 dimensiones) y en teoría de supercuerdas (10 y 26 dimensione). Es decir, que se predice pero no se puede verificar, y, siendo así, quedamos anclados en el campo de la teoría.

Recuerdo que estaba hablando de los distintos aspectos de la luz, lo que no recuerdo es como he llegado a éste berenjenal de los monopolos magnéticos. Me ocurre siempre, estoy tratando un tema y termino hablando (escribiendo) de otro. No parece más que, el bolígrafo, tenga vida propia. Sin embargo, lo que ocurre en verdad es que, todo es uno, compuesto de distintas partes.  Siempre estamos hablando de lo mismo, solo cambian las partes que, en cada momento, estemos estudiando.

Masa-Materia-Luz: Todo la misma cosa ¡Energía! que es el motor que hace andar al ¡El Universo!

emilio silvera

Arriba tenemos una forma de luz. Radiación electromagnética a la que el ojo humano es sensible y sobre la cual depende nuestra consciencia visual del universo y sus contenidos. La R.E. nos dice que es la que marca el límite de la velocidad que en el Universo se puede alcanzar. No vamos a meternos ahora en la polémica de si son ondas o partículas, o, las dos cosas según los casos. Sin embargo, una cosa sí que tenemos que dejar clara: Es una constante universal, o, ¿ya no lo es? Dicen que unos neutrinos la han adelantado.

¿Será científicamente posible superar la velocidad de la Luz?  “Los motores de curvatura que impulsaban a la nave Enterprise en sus  escarceos por el espacio pueden convertirse en una realidad y permitirnos superar la velocidad de la luz”. Han declarado unos científicos de los que no recuerdo sus nombres. Sin embargo, si la velocidad de la luz puede ser superada, antes de que dicha proesa la puedan conseguir los hombres, creo que vendrá de la mano de la misma Naturaleza, aunque, de todas las maneras, es dudoso que se consiga.

Aunque muchas veces comentado, trataré de nuevo el tema de la velocidad de la luz y sus implicaciones reales en el transcurso del tiempo. La relatividad del movimiento es, por una parte, la clave para comprender la teoría de Einstein, y al mismo tiempo una fuente potencial de confusión.

No es nada fácil dar una definición del tiempo, los intentos de hacerlo terminar a menudo dando vueltas y vueltas hasta llegar al punto de partida.  Sin ir más lejos, en mi último trabajo (09/09/06) de título “Pasado, Presente y Futuro. Una ilusión llamada Tiempo“, intenté explicar lo que es el tiempo y hablé de él desde distintos ángulos y bajo distintos puntos de mira. Durante muchas páginas trate el tiempo y me remonte hasta el Big Bang como fuente de su nacimiento, allí, junto a su hermano, el espacio, nació el tiempo.

Modelo del reloj de Cesio más preciso del mundo que marca la hora atómica del tiempo más preciso. EE.UU., Europa y Japón lo hicieron posible. El reloj pertenece a un grupo de relojes de cesio de élite. Estas normas nacionales se utilizan para obtener el Tiempo Atómico Internacional y el Tiempo Universal Coordinado, utilizados como escalas de tiempo en todo el mundo para procesos tales como la comunicación global, la navegación por satélite y la topografía, y para el sellado de tiempo de las transacciones informáticas entre los mercados financieros y bursátiles. Los métodos utilizados para mejorar el reloj del Reino Unido también se pueden utilizar para evaluar los relojes de fuente de cesio de otros países.

 Hablamos del reloj atómico de cesio-33, de la velocidad de la luz, de la fórmula matemática que explicaba la dilatación del tiempo a través de la velocidad, del tiempo de Planck, de las transformaciones de Lorentz, tiempo terrestre, tiempo dinámico, tiempo bariónico, tiempo estándar, tiempo universal, ¿cuántos conceptos de tiempo podemos tener? Y, sin embargo, seguimos sin saber lo que el tiempo es, si es que, realmente es algo más que una abstracción de nuestras mentes.

Podemos medir el tiempo en un reloj de luz pero nuestro objetivo es comprender cómo afecta el movimiento al transcurso del tiempo. Se conoce como “reloj de luz” al más sencillo del mundo y que consiste en dos pequeños espejos montados el uno frente al otro sobre un soporte, y entre ellos hay un único fotón de luz que salta del uno al otro. Si los espejos están separados unos 15 cm, el fotón tardará alrededor de una milmillonésima de segundo en realizar un viaje de ida y vuelta. Se puede considerar que el “tictac” de un reloj de luz se produce cada vez que un fotón hace un viaje de ida y vuelta completo. Mil millones de tictac indicarían que ha transcurrido un segundo.

El fotón de uno a otro espejo realizando el viaje de ida y vuelta mil millones de veces en un segundo. El fotón no tiene masa y su velocidad es la de la luz, 299.792.458 m/s.

Tenemos que mencionar el carácter constante de la velocidad de la luz, y que el mismo implica que un reloj pueda marcar su tictac más lentamente.  O dicho de otra manera, viajar a velocidades cercanas a la de la luz ralentiza el tiempo, así lo determina la teoría de la relatividad especial de Einstein. El tiempo transcurre más lentamente para un individuo en movimiento que para otro individuo que se encuentre en reposo. Si el razonamiento absolutamente sencillo que nos ha llevado a esta conclusión es correcto, entonces, ¿no tendríamos, por ejemplo, que poder vivir más tiempo estando en movimiento que permaneciendo inmóviles? Después de todo, si el tiempo transcurre más lentamente para un individuo en movimiento que para uno que está quieto, esta disparidad se podrá aplicar también, además de al tictac de un reloj, al latido de un corazón y al deterioro de algunas partes del cuerpo. Esto es así, y se ha confirmado directamente, no para la esperanza de vida de los humanos, sino para ciertas partículas del microespacio: los muones. No obstante, existe una pega importante que nos impide proclamar el hallazgo de la fuente de la juventud.

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Pensar en la existencia de la fuente de la Juventud, no es nada nuevo. Muchos han sido los que la han buscado sin encontrarla, y, sin embargo, yo he tenido la suerte de encontrarla. En realidad no se trata, como se creía, de una juventud eterna. Simplemente es que, se retrasa o ralentiza, la manera de envejecer. Podeis creerlo, es cierto.

Cuando se encuentran en reposo en el laboratorio, los muones se desintegran mediante un proceso muy semejante a la desintegración de la radiactividad, en un promedio de tiempo de alrededor de dos millonésimas de segundo. Esta desintegración es un hecho experimental apoyado en una cantidad enorme de pruebas. El muón tiene una vida de 2 millonésimas de segundo, llegado a ese tiempo, se desintegra, explota para descomponerse en electrones y neutrinos.

Solenoide Compacto de Muones (CMS)

Estos experimentos con iones de plomo abren ´una nueva avenida en la investigación del programa del acelerador para sondear la materia tal como era en los primeros instantes del Universo´, justo después del Big Bang, según el CERN.

Fotografía facilitada por el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) de la reconstrucción de las primeras colisiones de iones de plomo, vistas por el detector de partículas llamado Solenoide Compacto de Muones (CMS) en la sede del CERN en Ginebra, Suiza.

Fotografía facilitada por el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) de la reconstrucción en línea del sistema High Level Trigger (HLT) que muestra pistas del Inner Tracking System (ITS) y la Cámara de Proyección de Tiempo (TPC) del ALICE de las primeras colisiones de iones de plomo, vistas por el detector de partículas llamado Solenoide Compacto de Muones (CMS) en la sede del CERN en Ginebra, Suiza. Estos experimentos con iones de plomo abren ´una nueva avenida en la investigación del programa del acelerador para sondear la materia tal como era en los primeros instantes del Universo, justo después del Big Bang, según el CERN.

Pero si los muones no están en reposo en el laboratorio, sino que viajan a través de un aparato denominado acelerador de partículas que los impulsa hasta alcanzar la velocidad de la luz, el promedio de su esperanza de vida medido por los científicos en el laboratorio aumenta drásticamente. Esto sucede realmente. A una velocidad de 298.168 kilómetros por segundo (alrededor del 99’5% de la velocidad de la luz), el tiempo de vida del muón se multiplica aproximadamente por diez. La explicación de esto, de acuerdo con la relatividad especial, es que los “relojes de pulsera” que llevan los muones hacen tictac mucho más lentamente que los relojes del laboratorio que están en reposo y su tictac es más rápido, o sea al ritmo normal cotidiano del transcurso del tiempo. Esta es una demostración muy directa y expresiva del efecto que produce el movimiento en el paso del tiempo. Si las personas pudieran moverse tan rápido como estos muones, su esperanza de vida subiría hasta los 800 años, al multiplicarse por el mismo factor 10 de los muónes.

¿Que dónde está el truco?

                                                   Este movimiento no implica cambio alguno al no ser relativista, es un simple desplazamiento de lugar

Bueno, el que los muones en movimiento vivan 10 veces más tiempo que los muones en reposo se debe precisamente a que el movimiento detiene el tiempo, no por completo, sino que lo ralentiza y lo hace ir más despacio.  Claro que no todos los movimientos pueden conseguir este milagro. Si mi amigo Kike está sentado en el negocio de su esposa,  mientras que mi amigo Ramón Márquez   se mueve por el salón de su casa, el tiempo que transcurre, el cotidiano, es el mismo para ambos, el reloj marca el mismo ritmo para los dos, ya que el movimiento de Ramón es ínfimo comparado con el de la velocidad de la luz, que es el único movimiento (velocidad relativista) que ralentiza el tiempo.

¿Cómo puede ser posible eso? ¿No es una contradicción?

Sí, puede ser posible y no es una contradicción.

Hay versiones distintas para explicar la relatividad que se presta a algunos “trucos”

El tren Canadian recorre desde Toronto a Vancouver sorteando las dificultades

Imaginemos un tren que viaja a 120 Km/h.

En uno de los vagones viaja un padre y su hijo. El niño, asomado por la ventanilla, en el momento de pasar frente a una estación en la que el Jefe observa el paso del tren comprobando la hora, el niño con toda su fuerza, arroja una pequeña pelota de goma en el mismo sentido de la marcha del tren, y la velocidad alcanzada por la pelota es de 20 Km/h.

Ahora bien, encargamos medir la velocidad de la pelota (suponiendo que ambos tienen un aparato de medida adecuado), tanto al padre del niño que viaja con él en el tren, como al Jefe de Estación  que observa el paso del mismo.

¿Qué medida nos dará cada uno?

Cada observador nos dará una medida distinta del mismo suceso y ambas medidas serán las correctas.

El padre del niño nos dirá que la velocidad de la pelota es de 20 Km/h, mientras que el Jefe de Estación, parado en el andén, nos dirá que la pelota va a una velocidad de 140 Km/h. Ambos aciertan, aplicando la relatividad hay que tener en cuenta que el padre del niño hace la medida de la velocidad de la pelota cuando él está montado en el tren que está en movimiento en el mismo sentido en que va la pelota, lo cual hace que sólo mida la velocidad de la pelota, 20 Km/h. (si lo que estuvieran miendo ambos fuera la velocidad de la luz, la medida sería la misma para ambos).

Sin embargo, el aparato de medir la velocidad que sostiene el Jefe de Estación, en reposo en el andén, mide la suma de las dos velocidades la del Tren 120 + 20 de la pelota, lo que resulta una velocidad real de 140 Km/h, a la velocidad de la pelota hay que sumar la velocidad del tren.

Este ejemplo es cotidiano y se coge la velocidad como protagonista de la demostración de lo que es la teoría de la relatividad especial. En el ejemplo del muón (que se podría extrapolar a una persona que viajara en una nave espacial a velocidades cercanas a la de la luz), el protagonista es el Tiempo, que como consecuencia de una alta velocidad se detiene para transcurrir más lento en función de la velocidad a la que se esté viajando, es el efecto predicho por la teoría de Einstein y demostrados experimentalmente.  Los tiempos son relativos al movimiento de los observadores. El reloj viajero es más lento en un factor de .

En otras ocasiones, comentando esto mismo, hice referencia al conocido, o más bien conocida paradoja de los gemelos. Uno, astronauta que parte para Alfa Centauro, y el otro, profesor que le despide. Ambos tienen 38 años. La nave parte hacia la estrella vecina y hace el viaje de ida y vuelta a la velocidad de la luz, descansando un día para tomar datos de la estrella.  Al regreso, el hermano gemelo del astronauta va a recibirlo y cuando éste desciende de la nave, tiene la edad de 46’6 años,  es decir,  8,6 años más que cuando salió que es el tiempo que ha tardado la nave en hacer el viaje de ida y vuelta, mientras que él ya está prejubilado y con el cabello blanco, tiene mucha más edad.

Resulta exactamente lo mismo que en el experimento del múón, el tiempo del gemelo astronauta que viajó muy rápido, pasó mucho más lento que el tiempo del gemelo profesor que siguió en la Tierra a un ritmo muchísimo más lento. Así la ecuación es inversa:

Movimiento rápido  =  Tiempo más lento y Movimiento más lento = Tiempo más rápido.

Por muy rápidos que podamos ir, aunque consigamos estirar el tiempo, todo sería una falsa ilusión, ya que, en ese exceso de tiempo sólo podríamos realizar las mismas cosas que en el tiempo normal, sólo que más lentamente.

Pero la ecuación no debe equivocarnos; el gemelo de la Tierra, el que ahora es más viejo, en realidad ha vivido mucho más que el otro, ha vivido toda una vida con todo lo que eso conlleva, mientras que el otro hermano, el viajero, sólo ha vivido un viaje; sí, algo largo (8’6 años luz), pero en dicho espacio de tiempo, al ser muy lento, sólo cabían las incidencias de un viaje en una nave espacial, mientras que el otro hermano ha comprimido el tiempo en cuanto a los muchos hechos que ha podido meter dentro, así que para él pasó mucho más rápido.

En realidad no es que el astronauta viviera más tiempo, sino que su tiempo pasaba mucho más lentamente porque él estaba corriendo más que su hermano, y corriendo tanto no da tiempo para hacer muchas cosas, sin embargo corriendo menos nos dará tiempo para todo. Ya sabes…Si tienes prisa…visteté despacio.

¡Qué locura!

Sí, es algo complicado, más de lo que pueda parecer, y sin embargo muy real.

El astronauta vivió ese periodo de tiempo a cámara lenta, por eso su tiempo fue más largo o se tardó más tiempo para medirlo por el hecho de que transcurría lento. El fenómeno desapareció en el momento de tomar tierra, donde el tiempo era de nuevo el mismo para los dos hermanos.

Así que durante la vida de 800 años al que antes aludíamos, en realidad podríamos hacer exactamente las mismas cosas que en la vida de 80 años, sólo que más lentamente.

Tenía buenas intenciones cuando propuso sus teorías pero, ¡la que ha formado!

La Relatividad Especial también dice que ocurre algo interesante al movernos a través del tiempo espacial, especialmente cuando tu velocidad relativa a otros objetos es cercana a la velocidad de la luz. El tiempo pasa más lentamente para ti que para las personas que has dejado atrás. No observarás este efecto hasta que regreses a esas personas estacionarias.

Así que después de todo esto llegamos a la conclusión del principio, la relatividad del movimiento es, por una parte, la clave para comprender la teoría de Einstein, y al mismo tiempo (repito) una fuente de confusión; hay que centrarse muy profundamente en el problema para llegar a verlo, de manera clara, en tu cabeza. A mí, al principio, no me entraba la idea. Después de un tiempo de ahondar en la relatividad especial, por fin se hizo la luz, y efectivamente el tiempo va más despacio para quien se mueva muy rápido.

En la vida cotidiana, donde las velocidades son pequeñas, las diferencias entre alguien que corre y otro que está parado, puede ser tan insignificante que, en realidad, es despreciable. Se podría viajar más rápido que la luz por un puente de Einstein-Rosenpero, ¿dónde están esos puentes? Que sepamos, nadie ha visto ninguno.

Otra curiosidad de la relatividad especial es que el objeto que se mueva a la velocidad de la luz se acorta a lo largo de la dirección del movimiento.  Por ejemplo, las ecuaciones de la relatividad especial demuestran que un objeto que se mueva aproximadamente al 98 por ciento de la velocidad de la luz, será medido por un observador inmóvil como un 80% más corto que cuando estaba parado, es lo que se conoce como la “Contracción de Lorentz”, que también es totalmente cierta. Pero además, a estas velocidades ocurre otra curiosidad: la masa del objeto aumenta considerablemente, ya que como el universo limita la velocidad que podemos alcanzar a la de la luz, cuando nos estamos acercando a ella, la energía que se traducía antes en velocidad, a partir de cierto punto se convierte en masa. No podemos olvidar que E = mc², nos dice que la masa es energía y la energía es masa, son dos aspectos de la misma cosa.

Einstein, en un principio, denominó a su teoría no como de la relatividad, la llamó teoría de la invariabilidad, para reflejar el carácter invariable de la velocidad de la luz. La obra de Einstein demostró que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar separados y ser absolutos e inamovibles, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente también están interrelacionadas. Arriba de esta misma página se reseña su famosa fórmula como uno de los ejemplos más importantes que afirma (y quedó más que demostrado) que E (energía) de un objeto y m (su masa) no están separados y se puede determinar la energía a través de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c²).

Sí, hemos podido comprobar millones de veces que masa y energía son la misma cosa. Sin embargo, en la actualidad desconocemos la naturaleza de la “materia y de la energía oscuras” que constituyen la mayor porción de aquello que compone el Universo (imagen: cúmulo de galaxias MACS J0717; fuente: Wikimedia Commons).

Volvamos a un muón que se desplaza a un 99’999 por ciento de la velocidad de la luz, y su masa se multiplica por 224; a un 99’999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70.000.  Como la masa del muón aumenta sin límite a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Como una cantidad infinita de energía no existe, de nuevo aparece el límite que el universo impone a la velocidad, nada podrá superar la velocidad de la luz. Al menos en este universo que conocemos donde las constantes universales, como la masa del electrón, la constante de estructura fina, o la velocidad de la luz, son como son para que el universo sea como lo conocemos y para que nosotros podamos estar aquí.

Una mínima variación en alguna de estas constantes universales,  seguramente habría impedido que nosotros surgiéramos a la vida en el planeta Tierra. Sin embargo, algunos no se paran a pensar y, de buenas a primeras, nos dicen que la velocidad de la luz no es el límite de la velocidad que se puede alcanzqar en nuestro Universo. ¿Será posible?

emilio silvera

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil. Seguramente ese será el motivo por el cual, encontrar  al Bosón mediador de la fuerza, el Gravitón, resulta tan difícil.

Muchos han sido los intentos de localizar al gravitón, sin éxito alguno. ¿Será el de arriba? Seguramente no. Sin embargo, aunque no será fácil, debemos seguir la búsqueda del bosón que intermedia en la fuerza gravitacional.

Las fuerzas fundamentales

La Fuerza nuclear fuerte es la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales. Los núcleos de los átomos están conformados por protones y neutrones que, a su vez están hechos de quarks. Los quarks están confinados dentro de los hnucleones y sujetos por las partículas mediadoras de la fuerza, los Gluones que no permiten que los quarks se separen manteniendo así, el debido equilibrio.

Las constantes fundamentales

Desde el Big Bang, cuando aparecieron las fuerzas fundamentales, también lo hicieron las constantes universales que contribuyen a que, nuestro Universo sea tal como lo conocemos y posibilitan la presencia de vida aquí en la Tierra, y posiblemente, en otros muchos planetas.

Unas pueden ser más constantes naturales que otras, pero lo cierto es que, de momento, han servido como herramientas eficaces.

La última lección importante que aprendemos de la manera en que números puros como α (alfa) definen el mundo, es el verdadero significado de que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina, e indicamos con α, es como  decimos en el comentario siguiente, una combinación de e, c y h (el electrón, la velocidad de la luz y la constante de Planck). Inicialmente, podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente. Pero sería un error. Si e, h y c cambian de modo que los valores que tienen en unidades métricas (o cualesquiera otras) fueran diferentes cuando las buscamos en nuestras tablas de constantes físicas, pero el valor de α permaneciera igual; este nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza.

Fue Einstein el que anunció lo que se llamó principio de covariancia: que las leyes de la naturaleza deberían expresarse en una forma que pareciera la misma para todos los observadores, independientemente de dónde estuvieran situados y de cómo se estuvieran moviendo. Cuando trató de desarrollar este principio, Einstein tuvo dificultades; no encontraba la manera de expresarlo con la formulación matemática adecuada. Pidió ayuda a su amigo Marcel Grossmann, matemático, quien sabiendo de las necesidades exactas de Einstein, le envió la copia de una conferencia que dio un tal Riemann, unos sesenta años antes.

Einstein fue muy afortunado, ya que durante la última parte del siglo XIX en Alemania e Italia, matemáticos puros habían estado inmersos en el estudio profundo y detallado de todas las geometrías posibles sobre superficies curvas. Habían desarrollado un lenguaje matemático que automáticamente tenía la propiedad de que toda ecuación poseía una forma que se conservaba cuando las coordenadas que la describían se cambiaban de cualquier manera. Este lenguaje se denominaba cálculo tensorial. Tales cambios de coordenadas equivalen a preguntar qué tipo de ecuación vería alguien que se moviera de una manera diferente.

Riemann , Georg Bernhard

Einstein se quedó literalmente paralizado al leer la Conferencia de Riemann. Allí, delante de sus propios ojos tenía lo que Riemann denominaba Tensor métrico. Einstein se dio cuenta de que era exactamente lo que necesitaba para expresar de manera precisa y exacta sus ideas. Así  llegó a ser  posible la teoría de la relatividad general.

Einstein pudo expresar su principio de covariancia expresando sus leyes de la naturaleza como ecuaciones tensoriales, que poseían automáticamente la misma forma para todos los observadores.

Tensor métrico de Riemann:

La geometría de los espacios curvos de Riemann hizo posible la relatividad general de Einstein que se pasó siete años buscando la formulación adecuada a su ideas.

Este paso de Einstein completó un movimiento espectacular en la concepción física de la naturaleza que ha sido completado en el siglo XX. Está marcado por una evolución que se aleja continuamente de cualquier visión privilegiada del mundo, sea una visión humana, basada en la Tierra, o una visión basada en patrones humanos, la naturaleza tiene sus propios patrones (el 137 es un ejemplo de ello).

El Universo es igual en todas partes

Está claro que pensar siquiera en que en nuestro universo, dependiendo de la región en la que nos encontremos, habrá distintos leyes físicas, sería pensar en un universo chapuza. Lo sensato es pensar como Einstein y creer que en cualquier parte del universo rigen las mismas leyes físicas, hasta que no se encuentre pruebas reales a favor de lo contrario,  los científicos suponen con prudencia que, sea cual fueren las causas responsables de las pautas que llamamos “Leyes de la Naturaleza”, es mucho más inteligente adoptar la creencia de la igualdad física en cualquier parte de nuestro universo por muy remota que se encuentre; los elementos primordiales que lo formaron fueron siempre los mismos:

Quarks y Leptones que formaron los hadrones llamados bariones (como protones, neutrones y otros) para conformar la materia que vemos a nuestro alrededor, en los cielos y en el Universo profundo. Todo eso, grande o pequeño, está formado por la materia que está hecha de estos infinitesimales objetos ciudadanos del mundo cuántico y que se juntan por miles y cientos de miles de millones para dejarse ver en forma de mundos, de estrellas y galaxias y, ¿por qué no? también de seres vivientes racionales o no (aunque la definición de racionales no parece muy convincente).

La partícula emitida por un núcleo radiactivo, por lo general lleva una considerable cantidad de energía. Y, ¿de dónde procede esa energía? Es el resultado de la conversión en energía de una pequeña parte del núcleo (E = mc²); en otras palabras, el núcleo siempre pierde un poco de masa en el acto de expeler la partícula.

Los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que, a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo. En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios. Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (corregido por muy pocos electrones) era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menos grado. Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas. En ese caso, ¿qué era erróneo en la emisión de partículas beta?, ¿qué había sucedido con la energía perdida?

En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y hacia 1.936 Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas. En 1.931 Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida. Tal solución era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida. Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas; no poseía carga ni masa. Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía. A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.

Habitualmente aceptamos que la física es la ciencia que estudia la estructura y propiedades de la materia y la energía, las formas de existencia de las mismas en el espacio y el tiempo, así como las leyes de rigen sus interacciones. En este definición no hay limitaciones precisas entre la naturaleza viviente e inanimada, y aunque ello no implica la reducción de todas las ciencias a la física, se deduce que las bases teóricas finales de cualquier dominio de las ciencias naturales tienen una naturaleza física.

Pero, sigamos…

Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y liberaba un electrón que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía. Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de neutrino, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.

El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino. Como ya he comentado en otra página de este trabajo, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiplos de una mitad, según la dirección del giro. Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión. Supongamos que la rotación del neutrón sea +½, y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de cero. Demos ahora al neutrino una rotación de +½ y la balanza quedará desequilibrada.

+½ (n) = +½ (p) – ½ (e) + ½ (neutrino)

En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.

Pero aún queda algo por desequilibrar. Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y si incluimos el neutrino, tres partículas. Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula. En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.

El propio neutrino surgiría de la conversión de un protón en un neutrón. Así pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza.

Impresionante vista de la Vía Láctea desde el Manua Kea. La Galaxia, el Universo…Todo es energía.

Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de relaciones nucleares que no impliques electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas. Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relacionadas con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros. Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8% de su energía. Pero eso sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación sólo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.

Desde que puedo recordar, he sido un amante de la física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite del máximo que podemos correr en nuestro universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa cosa tan cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos. Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible. Entonces, ¿qué es realmente la luz?

Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia. La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial; dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo, que desde luego no soy un experto, opino en cambio que la luz es simplemente una forma de energía lumínica, otra forma en la que se puede presentar la materia. Nosotros mismos, en última instancia, somos luz.

Está claro que los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical. La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell. No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

¿Nos suplirán un día? Seguro que en el futuro, serán otros los que hagan experimentos con la luz y busquen su verdadera naturaleza

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta de las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma (las dos refracciones en la misma dirección se originan porque los lados del prisma se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso de una lámina ordinaria de cristal).

Newton dedujo  que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores.  La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma).

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada. Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo verde, azul y violeta, en este orden. Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores. La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa espectro o fantasma). Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades. Le surgieron y se planteó algunas inquietantes cuestiones: ¿por qué se refractaban las partículas de luz verde más que las de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbarse mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés Christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar las diversas difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire. La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción. Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda más corta que la luz azul; ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda. Y como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna (las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades).

Pero la teoría de Huyghens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos, ni por qué proyectaban sombras recortadas, ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua. Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

Con el éxito de Newton de su ley de la Gravitación Universal, no es extraño que afirmara de forma tajante que la luz es corpuscular. Newton se opuso violentamente a la naturaleza ondulatoria de la luz, ya que no veía cómo se podía explicar con ella la propagación rectilínea de la misma. Por otro lado estaba Christian Huygens, 13 años mayor que Newton que defendía la naturaleza ondulatoria con algunas ventajas.

 

Ambas teorías explicaban perfectamente la reflexión y refracción de la luz. Pero diferían en una cosa. La teoría corpuscular afirmaba que las partículas de luz se acelerarían al pasar por un material de mayor densidad óptica y las ondas a menor. Esto no era comprobable por aquella época. Debido a la influencia de Newton y a la poca habilidad de Huygens para desarrollarla matemáticamente, la teoría ondulatoria quedó descartada durante un siglo.

Aproximadamente durante un siglo, contendieron entre sí estas teorías. La teoría corpuscular de Newton fue, con mucho, la más popular, en parte porque la respaldó el famoso nombre de su autor. Pero hacia 1.801, un físico y médico inglés, de nombre Thomas Young, llevó a cabo un experimento que arrastró la opinión pública al campo opuesto. Proyectó un fino rayo luminoso sobre una pantalla, haciéndolo pasar antes por dos orificios casi juntos; si la luz estuviera compuesta por partículas, cuando los dos rayos emergieran de ambos orificios, formarían presuntamente en la pantalla una región más luminosa donde se superpusieran, y regiones menos brillantes, donde no se diera tal superposición. La pantalla mostró una serie de bandas luminosas, separadas entre sí por bandas oscuras; pareció incluso que en esos intervalos de sombra, la luz de ambos rayos contribuía a intensificar la oscuridad.

Sería fácil explicarlo mediante la teoría ondulatoria; la banda luminosa representaba el refuerzo prestado por las ondas de un rayo a las ondas del otro, dicho de otra manera, entraban “en fase” dos trenes de ondas, es decir, ambos nodos, al unirse, se fortalecían el uno al otro. Por otra parte, las bandas oscuras representaban puntos en los que las ondas estaban “desfasadas” porque el vientre de una neutralizaba el nodo de la otra. En vez de aunar sus fuerzas, las ondas se interferían mutuamente, reduciendo la energía luminosa neta a las proximidades del punto cero.

Considerando la anchura de las bandas y la distancia entre los dos orificios por lo que surgen ambos rayos, se pudo calcular la longitud de las ondas luminosas, por ejemplo, de la luz roja a la violeta o de los colores intermedios. Las longitudes de onda resultaron ser muy pequeñas. Así, la de la luz roja era de unos 0’000075 cm. Hoy se  expresan las longitudes de las ondas luminosas mediante una unidad muy práctica ideada por Ángstrom; esta unidad, denominada igualmente Ángstrom (Å) en honor a su autor, es la cienmillonésima parte de un centímetro. Así pues, la longitud de onda de la luz roja equivale más o menos a 7.500 Å, y la de la luz violeta a 3.900 Å, mientras que las de colores visibles en el espectro oscilan entre ambas cifras.

La cortedad de estas ondas es muy importante. La razón de que las ondas luminosas se desplacen en línea recta y proyecten sombras recortadas se debe a que todas son incomparablemente más pequeñas que cualquier objeto; pueden contornear un obstáculo sólo si este no es mucho mayor que la longitud de onda. Hasta las bacterias, por ejemplo, tienen un volumen muy superior al de una onda luminosa, y por tanto, la luz puede definir claramente sus contornos bajo el microscopio. Sólo los objetos cuyas dimensiones se asemejan a la longitud de onda luminosa (por ejemplo, los virus y otras partículas subatómicas) son lo suficientemente pequeños como para que puedan ser contorneados por las ondas luminosas.

Un físico francés, Agustin-Jean Fresnel, fue quien demostró por vez primera en 1.818 que si un objeto es lo suficientemente pequeño, la onda luminosa lo contorneará sin dificultad. En tal caso, la luz determina el llamado fenómeno de “difracción”. Por ejemplo, las finísimas líneas paralelas de una “reja de difracción” actúan como una serie de minúsculos obstáculos, que se refuerzan entre sí. Puesto que la magnitud de la difracción va asociada a la longitud de onda, se produce el espectro. A la inversa, se puede calcular la longitud de onda midiendo la difracción de cualquier color o porción del espectro, así como la separación de las marcas sobre el cristal.

La mano del Universo juguetea con unos puntos luminosos que quieren llegar a ser cegadores…Son nuestras Mentes, productos de la evolución del Universo que, a partir de la materia inerte, ha podido alcanzar el estadio bio-químico de la consciencia y, al ser conscientes, hemos podido descubrir que existen “números misteriosos” dentro de los cuales subyacen mensajes que tenemos que desvelar.

Fraunhofer exploró dicha reja de difracción con objeto de averiguar sus finalidades prácticas, progreso que suele olvidarse, pues queda eclipsado por su descubrimiento más famoso, los rayos espectrales. El físico americano Henry Augustus Rowland ideó la reja cóncava y desarrolló técnicas para regularlas de acuerdo con 20.000 líneas por pulgada. Ello hizo posible la sustitución del prisma por el espectroscópio.

Ante tales hallazgos experimentales, más el desarrollo metódico y matemático del movimiento ondulatorio, debido a Fresnel, pareció que la teoría ondulatoria de la luz había arraigado definitivamente, desplazando y relegando para siempre a la teoría corpuscular.

No sólo se aceptó la existencia de ondas luminosas, sino que también se midió su longitud con una precisión cada vez mayor. Hacia 1.827, el físico francés Jacques Babinet sugirió que se empleara la longitud de onda luminosa (una cantidad física inalcanzable) como unidad para medir tales longitudes, en vez de las muy diversas unidades ideadas y empleadas por el hombre. Sin embargo, tal sugerencia no se llevó a la práctica hasta 1.880 cuando el físico germano-americano Albert Abraham Michelson inventó un instrumento denominado “interferómetro”, que podía medir las longitudes de ondas luminosas con una exactitud sin precedentes. En 1.893, Michelson midió la onda de la raya roja en el espectro del cadmio y determinó que su longitud era de 1/1.553.164 m.

Pero la incertidumbre reapareció al descubrirse que los elementos estaban compuestos por isótopos diferentes, cada uno de los cuales aportaba una raya cuya longitud de inda difería ligeramente de las restantes. En la década de 1.930 se midieron las rayas del criptón 86. Como quiera que este isótopo fuera gaseoso, se podía abordar con bajas temperaturas, para frenar el movimiento atómico y reducir el consecutivo engrosamiento de la raya.

En 1.960, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la raya del criptón 86 como unidad fundamental de la longitud. Entonces se reestableció la longitud del metro como 1.650.763’73 veces la longitud de onda de dicha raya espectral. Ello aumentó mil veces la precisión de las medidas de longitud. Hasta entonces se había medido el antiguo metro patrón con un margen de error equivalente a una millonésima, mientras que en lo sucesivo se pudo medir la longitud de onda con un margen de error equivalente a una milmillonésima.

emilio silvera

Está claro que aquí trataremos sobre la física y la naturaleza de la materia que, por lo menos yo, no tengo muy claro que sea “inerte”, ya que la vida, tal como la conocemos, sin lugar a ninguna duda proviene de esa mal llamada materia inerte que, en su momento y mediante unos procesos y circunstancias muy especiales, en presencia de agua, elementos diversos que como un caldo primordial fueron bombardeados por los rayos cósmicos provenientes del espacio exterior, dio lugar a esa primera célula que nos trajo millones de años después a nosotros, los humanos.

Los físicos utilizando tecnologías avanzadas y muy poderosas, han investigado y experimentado creando en los laboratorios y aceleradores de partículas las iniciales condiciones del Big Bang, mediante la fórmula de hacer chocar haces de protones (u otras partículas) que circulando a velocidades cercanas a la de la luz, hacen aparecer otras partículas más exóticas que están escondidas en el interior de los núcleos atómicos. De los escombros de esas colisiones sacan y obtienen datos de esos nuevos componentes de la materia; así han ido confeccionando la lista, cada vez más larga, de las familias de partículas elementales, unas más elementales que otras.

Siguiendo el camino marcado por J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick, se continuó indagando en la estructura interna del modelo atómico descubierto por ellos y que nos hicieron ver que, lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, rodeados por un enjambre de electrones que describen órbitas a su alrededor.

Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los átomos de Demócrito que, como sabemos hace ahora más de 2.000 años, intuyó que la materia estaba compuesta de infinitesimales partículas a las que dio ese nombre y que el creía que eran invisibles e indivisibles.

El experimento en el Stanford Linear Accelerator Center de tecnología avanzada, exploró las entrañas de la materia y se pudo comprobar que los protones y neutrones no eran partículas fundamentales; demostraron que cada una de ellas estaban constituidas por partículas menores que, más tarde, Murray Gell-Mann, llamó quarks y que en esa primera fase se limitaron a dos formas o tipos, los denominados up (arriba) y los de nombre down (abajo), que se conformaban en tripletes para crear un protón: uud – dos quarks up y un quark down -, mientras que el neutrón estaba compuesto por ddu – dos quarks down y un quark up -.

Todo lo que vemos en la tierra o en el cielo resulta estar hecho de electrones que son leptones y de quarks que forman los nucleones, partículas que pertenecen a la familia de los hadrones: bariones y mesones. Toda la materia que podemos observar es bariónica; la otra, esa que se nos escapa, es la materia oscura de la que se hablará más adelante.

Según las energías de las que en este momento podemos disponer, no tenemos los medios técnicos ni energéticos para profundizar más y comprobar si existen partículas aún más pequeñas que los quarks. Existen teorías que postulan la existencia de filamentos o cuerdas vibrantes, que son cien mil veces menores que los quarks, muy masivas, que pudieran ser los componentes finales y más pequeños de la materia del universo, los ladrillos fundamentales de todo lo que existe. Está por ver, y a lo largo de éste trabajo trataré de explicar y profundizar en esta interesante teoría del todo que pretende, nada más y nada menos que unificar todas las fuerzas de la naturaleza, o lo que es lo mismo, unir la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad general, algo hasta el momento imposible.

A mediados de la década de los 50, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental, llamada neutrino, de cuya existencia ya hizo vaticinio y predijo el físico Wolfgang Pauli a principios de la década de 1.930. Al tener poca o masa nula, son muy difíciles de encontrar; recorren el espacio a la velocidad de la luz y su inconsistencia les permite atravesar fácilmente incluso un hipotético muro de miles de kilómetros de plomo sin que en su movimiento se produzca el menor efecto. De hecho, nuestro planeta y nosotros mismos somos atravesados por cientos de miles de neutrinos provenientes del Sol, sin que nos cause daño alguno.

Se pudo descubrir que los neutrinos son de tres tipos; electrónico (asociado al electrón, muónico (asociado al muón) y tauónico (asociado a la partícula tau). Todos, los seis, son los que forman la familia de los leptones.

Ahora, con el moderno LHC, y, sobre todo con la potencia descomunal de 14 TeV, estamos a la caza del Bosón de Higgs y, nuestra pretensión es la de ir mucho más allá hasta poder dar caza a las cuerdas vibrantes en la décima dimensión donde reside la teoría cuántica de la Gravedad.

emilio silvera

En el mundo cuántico se pueden contemplar cosas más extrañas

Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, = 1’62 × 10^-33 cm, es la escala de longitud por debajo de la cual es espacio, tal como lo conocemos, deja de existir y se convierte en espuma cuántica. El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler, o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2’61 × 10^-66 cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

De todas las maneras, en este momento sabemos tanto de la espuma cuántica como de nuestra presencia en el Universo, es decir, nada. Todo son conjeturas, suposiciones e hipótesis que nos hacen imaginar lo que pueda existir a la distancia de Planck. Claro que  en una longitud de 10^-35 metros, sí que es fácil imaginar que lo que podamos ver allí sería simplemete una especie de espuma cuántica asociada a lo que estimamos que sería la gravedad cuántica.

Como nos dicen en este anuncio del Kybalion, nada es estático en el Universo y, todo está en continuo movimiento o vibración. Habreis oido hablar de la energía de punto cero que permanerce en una sustancia en el cero absoluto (cero K). Está de acuerdo con la teoría cuántica, según la cual, una partícula oscilando con un movimiento armónico simple no tiene estado estacionario de energía cinética nula. Es más, el Principio de Incertidumbre no permite que esta partícula esté en reposo en el punto central exacto de sus oscilaciones. Del vacío surgen sin cesar partículas virtuales que desaparecen en fracciones de segundo, y, ya conoceis, por ejemplo, el Efecto Casimir en el que dos placas pueden producir energía negativa surgidas del vacío.

Efecto Casimir

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío; esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

                    Algunos han postulado que el Universo pudo surgir de una fluctuación del vacío que rasgó el espacio tiempo de otro universo

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor infinita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2 – 10^-7 pascales. Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto. No puedo dejar de referirme al vacío theta (vacío θ), que es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados. Esto significa que el vacío theta es análogo a una función de Bloch* en un cristal. Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido. El vacío theta es el punto de partida para comprender el estado de vacío de las teoría gauge fuertemente interaccionantes, como la cromodinámica cuántica.

En astronomía, el vacío está referido a regiones del espacio con menos contenido de galaxias que el promedio, o ninguna galaxia. También solemos llamarlo vacío cósmico. Han sido detectados vacíos con menos de una décima de la densidad promedio del universo en escalas de hasta 200 millones de años luz en exploraciones a gran escala. Estas regiones son, a menudo (aunque no siempre), esféricas.

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque lo hemos captado, no lo sabemos descifrar.

Sabemos referirnos al producto o cociente de las unidades físicas básicas, elevadas a las potencias adecuadas, en una cantidad física derivada. Las cantidades físicas básicas de un sistema mecánico son habitualmente la masa (m), la longitud (l) y el tiempo (t). Utilizando estas dimensiones, la velocidad, que es una unidad física derivada, tendrá dimensiones l/t, y la aceleración tendrá dimensiones l/t². Como la fuerza es el producto de una masa por una aceleración, la fuerza tiene dimensiones mlt^-2. En electricidad, en unidades SI, la corriente, I, puede ser considerada como dimensionalmente independiente, y las dimensiones de las demás unidades eléctricas se pueden calcular a partir de las relaciones estándar. La carga, por ejemplo, se puede definir como el producto de la corriente por el tiempo; por tanto, tiene dimensión It. La diferencia de potencia está dad por la relación P = VI, donde P es la potencia. Como la potencia es la fuerza por la distancia entre el tiempo (mlt^-2 × l × t^-1 = ml²t^-3), el voltaje V está dado por V = ml²t^-3I^-1. Así queda expresado lo que en física se entiende por dimensiones, referido al producto o cociente de las cantidades físicas básicas.

Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío, que al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

La degeneración de los electrones impide que la gravedad continúe comprimiendo a una estrella como el Sol que, al final de su vida, y, agotado el combustible nuclear de fusión, se convierte en Gigante roja para después quedar a merced de la Gravedad que la comprimirá más y más, la presión hará que eyecte las capas exteriores al espacio y fiorme una Nebulosa planetaria de 1 año luz de diámetro, el resto de la masa de la estrella continúa siendo comprimida por la gravedad hasta que los electrones se degeneran y, “protestan” porque no quieren estar tan juntos (son fermiones), y, es la fuerza de esa degeneración la única que frena la implosión de la estrella y queda convertida en una enana blanca que, en el centro de la nueva Nebulosa radia con fuerza hasta que, pasado el tiempo, se enfría y se muestra como el cadaver estelar que es.

De manera similar ocurre cuando la estrella es más masiva que nuestro Sol. Entonces, llegado el final de su vida y quedando a merced de la fuerza de Gravedad, ésta trata de comprimir la masa estelar al máximo. Hasta tal punto la comprime que los protones y electrones se  fusionan para convertirse en neutrones que, al verde tan comprimidos “protestan” y se degeneran para hacer frente a la interacción gravitatoria y poder frenarla, quedando así como una estrella de neutrones estable.

De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles. Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto). Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo espacio “vacío”. Si la energía es masa y la masa produce gravedad, entonces ¿qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

Hace tiempo que sabemos (desde 1.905) que la energía es masa, así nos lo dije Einstein y así se desprende de L/V² que podríamos expresar como m = E/c². Si despejamos la energía, adquiere una forma más familiar y presagiosa: E = mc²

Decir lo que pueda haber en ese “espacio vacío, no será nada fácil, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera que aún se nos oculta, escapa a nuestra vista y sólo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a las que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del universo, que no se corresponde en absoluto con la masa y la energía que podemos ver.

Hay que seguir atando cabos sueltos, uniendo piezas y buscando algunas que están perdidas de tal manera que,  ahora mismo, por mucho que miremos, nunca podremos ver. El lugar de dichas piezas perdidas no está en nuestro horizonte y se esconde más allá de nuestra percepción sensorial. ¿Nos dirá algo más de todo esto la teoría de cuerdas?

¡Quién sabe! Quizá sea el LHC el que, con sus resultados, nos pueda dar una respuesta de lo que realmente existe en ese mal llamado vacío y que, según parece, está lleno a rebosar. Sí, pero ¿de qué está lleno? Ya veremos. De momento, pararece que han aparecido los primeros indicios de la existencia del Higgs, ese Bosón que le da la masa a las partículas y que, seguramente, será presentado al público en los primeros meses del próxímo 2012 que, en lugar de ser el Año en que se “destruye el mundo” como dicen algunos (los mayas no decían eso), lo que sí será es un año de muchas y buenas noticias en el ámbito de la Ciencia.

Estamos en un momento crucial de la física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad, que también está implícita en la teoría M. Estamos anclados; necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas virtuales que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos preparar nuestras mentes para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aun estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo el hiperespacio, de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad. Cuando sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy no sabemos resolver.

emilio silvera

Orbitales de Hidrógeno

La mecánica cuántica establece que un electrón no existe como un único punto, sino que se extiende alrededor del núcleo en una nube se conoce como un orbita … Las esferas azuladas de la imagen que parecen inmersas en una nube muestran dos modelos orbitales de los electrones de un átomo de carbono … unas estructuras que ya habíamos visto en las ilustraciones de miles de libros de química …, pero ahora se trata de imágenes reales …

Estructura interna de una molécula de pentaceno, de 1,4 nanómetros de longitud. Abajo, modelo de la misma (los átomos grises son de carbono y los blancos de hidrógeno).- IBM

¡El Átomo! La parte más pequeña de un elemento.

Modelo planetario del átomo

Todo el mundo conoce la imagen del átomo formada por varios electrones dando vueltas a un núcleo como planetas orbitando alrededor del Sol. Esta figura la creó en 1904 un físico japonés llamado Hantaro Nagaoka y aunque constituye la percepción más común del átomo, está equivocada.

Según la mecánica cuántica, las partículas elementales tienen una apariencia un tanto borrosa. Los electrones se parecen más bien a aspas de un ventilador que gira. Es decir, el electrón no ocupa una órbita definida, sino una nube o zona del espacio donde existe la probabilidad de encontrarlos.

El descubrimiento de Chadwick del neutrón en 1.932 completó el modelo atómico basado en el núcleo atómico consistente en protones y neutrones rodeados de un número suficiente de electrones como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.En 1.935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamadas mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacia atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales.

El núcleo atómico, la verdadera materia, es sólo el 99,99%del átomo, el resto son espacios vacíos.

También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas “elementales” de vida corta, algunas de las cuales eran claramente más elementales que las otras. En la clasificación actual existen dos clases principales de partículas que interaccionan con la interacción fuerte y tienen una estructura interna compleja.

La estructura hadrónica está basada ahora en el concepto de quarks de Murray Gell-Mann, introducido en 1.964. Este modelo nos dice que los hadrones están divididos en bariones (que se desintegran en protones) y mesones, que se desintegran en leptones y fotones.

De las estructuras atómicas unidas pasamos a las estructuras moleculares.

Los bariones están formados por tres quarks y los mesones por dos quarks (un quark y un antiquark). En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas elementales realmente, son los leptones y los quarks. Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto pero de signos opuestos (positiva el protón y negativa el electrón), los quark tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+ 2/3 ó -1/3 de la carga electrónica).

Las colisiones electrón-positrón producen numerosos tipos de partículas que se desintegran según diferentes modos de cadena.

Los quarks aparecen en seis variedades distintas que generalmente se escriben mediante las letras u, d, c, s, t y b que responden a los nombres de up, down, charmed, strange, top y bottom.

El protón, siendo un barión, está constituido por tres quarks, uud (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1) y el neutrón por udd (2/3 – 1/3 -1/3 = 0), para cada variedad de quark existen los equivalentes antiquarks, que tienen valores exactos al quark pero con signos opuestos en su carga eléctrica.

No todos los físicos están aún convencidos de la existencia de los Quarks. Sin embargo, en los experimentos realizados al más alto nivel en los modernos aceleradores, parece que las señales recibidas sobre su real existencia son inequívocas.

Para evitar conflictos con el principio de exclusión de Pauli, se han añadido conceptos de carga de color a las seis variedades de quarks, cuya explicación al resultar compleja obviamos por no ser fundamental en la meta que aquí perseguimos.

Las interacciones fuertes entre quarks se pueden entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas gluones (porque pegan a los quarks juntos). Aunque los gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, sí que tienen una carga de color (también aquí nos paramos para no enredar demasiado y confundir al lector).

Podemos imaginar a los Quarks, confinados dentro de los protones y neutrones nadando en una sopa de Gluones. La fuerza nuclear fuerte es la más potente de todas las interacciones fundamentales y hace que, al contrario de las otras fuerzas, la distancia entre quarks la aumente. Es como un mueblle de acero que cuando más se estira más resistencia opone.

La teoría quark completamente elaborada esta ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks ni los gluones han sido identificados nunca en experimentos, la teoría no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental, que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentales han anunciado resultados consistentes con la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados y en estados libres.

Lo que resulta de la teoría conocida como cromodinámica cuántica es que en la propiedad de libertad asintótica obliga a que las interacciones entre los quarks se hagan más débiles a medida que la distancia entre ellos se hace menor y tienda a cero. De forma inversa, la atracción entre quarks es mayor a medida que la distancia entre ellos es mayor y la hipótesis del confinamiento de los quarks obliga a que estos no puedan escapar uno del otro; lo impiden los gluones, los bosones intermediarios de la fuerza nuclear fuerte que es la única fuerza que crece con la distancia, al contrario que las otras fuerzas que con el alejamiento se debilitan. Es posible que a muy altas temperaturas, como las existentes en el universo primitivo, los quarks pudieran estar libres. Esta temperatura a la que esto ocurre es conocida como temperatura de desconfinamiento.

A muy altas temperaturas, como al principio del Universo, podría ser posible “ver” a los Quarks en libertad, antes de que se unieran para formar protones y neutrones.

Es necesario que ahora se explique aquí lo que son las interacciones, o fuerzas fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Antes, cuando hablamos de la relatividad general, ya se adelantó el concepto de la fuerza gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética. Es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa. Es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos. De hecho, sin esta fuerza no existiría el Sistema Solar ni las galaxias, y seguramente, nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios, que para esta fuerza son las partículas W⁺, W^- y Z⁰.Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1.967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

Cuando descomponemos la materia hasta sus más profundos componentes, aparecen nuevas partículas que nos facilitan conocer mucho mejor, el mundo que nos rodea y los componentesdel Universo en su más infinitesimal representación.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

El electromagnetismo está presente en todas partes.

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales. Está descrita por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.

El núcleo atómico es la parte central de un átomo tiene carga positiva, y concentra más del 99.99% de la masa total del átomo. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protón y neutrón) que coexisten en el núcleo atómico venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.“

emilio silvera

El problema de si las constantes físicas son constantes se las trae. Aparte del trabalenguas terminológico arrastra tras de sí unas profundas consecuencias conceptuales.

Lo primero, uno de los pilares fundamentales de la relatividad especial es el postulado de que las leyes de la física son las mismas con independencia del observador. Esto fue una generalización de lo que ya se sabía cuando se comenzó a estudiar el campo electromagnético, pero todo lo que sabemos en la actualidad nos lleva a concluir que este postulado es bastante razonable.

En alguna ocasión se explicó aquí el desdoblamiento de las líneas espectrales del hidrógeno, lo que se ha dado en llamar alfa (α). León Lederman (premio Nobel de Física), nos dice que se denota por esa letra griega y que al efectuar sus cálculos, Sommerfeld introdujo una “nueva abreviatura” de algunas constantes. Se trataba de 2πe² / hc, que abrevió con la letra griega “α” (alfa). Sigue  diciéndonos: “No prestéis atención a la ecuación. Lo interesante es esto: cuando se meten los números conocidos de la carga del electrón, e‾ la constante de Planck, h, y la velocidad de la luz, c, sale α = 1/137.  Otra vez 137 número puro.

Las constantes fundamentales (constantes universales) están referidas a los parámetros que no cambian a lo largo del universo. La carga de un electrón, la velocidad de la luz en el espacio vacío, la constante de Planck, la constante gravitacional, la constante eléctrica y magnética se piensa que son todos ejemplos de constantes fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil.

Las fuerzas fundamentales

Las constantes fundamentales (constantes universales) están referidas a los parámetros que no cambian a lo largo del universo. La carga de un electrón, la velocidad de la luz en el espacio vacío, la constante de Planck,  la constante gravitacional, la constante eléctrica y magnética se piensa que son todos ejemplos de constantes fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil.

Las constantes fundamentales

             Unas pueden ser más constantes naturales que otras, pero lo cierto es que, de momento, han servido como herramientas eficaces.

La última lección importante que aprendemos de la manera en que números puros como α (alfa) definen el mundo, es el verdadero significado de que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina, e indicamos con α, es como hemos dicho antes, una combinación de e, c y h (el electrón, la velocidad de la luz y la constante de Planck). Inicialmente, podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente. Pero sería un error. Si e, h y c cambian de modo que los valores que tienen en unidades métricas (o cualesquiera otras) fueran diferentes cuando las buscamos en nuestras tablas de constantes físicas, pero el valor de α permaneciera igual; este nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza.

Fue Einstein el que anunció lo que se llamó principio de covariancia: que las leyes de la naturaleza deberían expresarse en una forma que pareciera la misma para todos los observadores, independientemente de dónde estuvieran situados y de cómo se estuvieran moviendo. Cuando trató de desarrollar este principio, Einstein tuvo dificultades; no encontraba la manera de expresarlo con la formulación matemática adecuada. Pidió ayuda a su amigo Marcel Grossmann, matemático, quien sabiendo de las necesidades exactas de Einstein, le envió la copia de una conferencia que dio un tal Riemann, unos sesenta años antes.

En la histórica conferencia que resultó, Riemann escogió las ideas del vigoroso Gauss referentes a la geometría no-euclidiana y las unió a algunos principios de la última obra de Gauss sobre la medición de las superficies curvas. De la combinación de las dos formó un importante sistema de “geometría diferencial” que reveló formas generales para realizar las mediciones en un espacio de cualquier curvatura y de un número cualquiera de dimensiones. Mientras el viejo Gauss escuchaba a su discípulo se dice haber proferido una exclamación de complaciente comprensión. Para el mundo en conjunto, no obstante, se necesitarían cincuenta años antes de que se notara el impacto de la geometría de Riemann.

EL ESPACIO LIBRE DE RIEMANN Riemann se ocupó de los espacios curvos, cuyas características se muestran en la figura inferior. En dicho espacio las trayectorias más cortas entre puntos son líneas curvas, los triángulos se modifican al moverlos y la suma de sus ángulos, en lugar de ser 180 grados, varía cuando los triángulos se trasladan .

UNA VIDA CORTA PERO PROVECHOSA

Einstein fue muy afortunado, ya que durante la última parte del siglo XIX en Alemania e Italia, matemáticos puros habían estado inmersos en el estudio profundo y detallado de todas las geometrías posibles sobre superficies curvas. Habían desarrollado un lenguaje matemático que automáticamente tenía la propiedad de que toda ecuación poseía una forma que se conservaba cuando las coordenadas que la describían se cambiaban de cualquier manera. Este lenguaje se denominaba cálculo tensorial. Tales cambios de coordenadas equivalen a preguntar qué tipo de ecuación vería alguien que se moviera de una manera diferente.

Einstein se quedó literalmente paralizado al leer la Conferencia de Riemann. Allí, delante de sus propios ojos tenía lo que Riemann denominaba Tensor métrico. Einstein se dio cuenta de que era exactamente lo que necesitaba para expresar de manera precisa y exacta sus ideas. Así  llegó a ser  posible la teoría de la relatividad general.

Einstein pudo expresar su principio de covariancia expresando sus leyes de la naturaleza como ecuaciones tensoriales, que poseían automáticamente la misma forma para todos los observadores.

Este paso de Einstein completó un movimiento espectacular en la concepción física de la naturaleza que ha sido completado en el siglo XX. Está marcado por una evolución que se aleja continuamente de cualquier visión privilegiada del mundo, sea una visión humana, basada en la Tierra, o una visión basada en patrones humanos, la naturaleza tiene sus propios patrones.

Está claro que pensar siquiera en que en nuestro universo, dependiendo de la región en la que nos encontremos, habrá distintos leyes físicas, sería pensar en un universo chapuza. Lo sensato es pensar como Einstein y creer que en cualquier parte del universo rigen las mismas leyes físicas, hasta que no se encuentre pruebas reales a favor de lo contrario,  los científicos suponen con prudencia que, sea cual fueren las causas responsables de las pautas que llamamos “Leyes de la Naturaleza”, es mucho más inteligente adoptar la creencia de la igualdad física en cualquier parte de nuestro universo por muy remota que se encuentre; los elementos primordiales que lo formaron fueron siempre los mismos,

Quarks	Materia…
Leptones
Hadrones

                                                                           que interaccionan con las cuatro fuerzas fundamentales naturales.

Ahora sabemos que las fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad, no son tan diferentes como parece a primera vista. Parecen tener intensidades muy diferentes y actuar sobre partículas elementales diferentes. Pero eso es ilusorio, es la sensación creada por nuestra necesidad de habitar en un lugar del universo donde la temperatura es más bien baja y, es así, como se manifiestan las fuerzas de la naturaleza que, en dicha temperatura permite la existencia de átomos y moléculas.

Un gráfico muestra las colisiones en un laboratorio del CERN. | Reuters

Conforme la temperatura aumenta y las partículas elementales de materia colisionan entre sí a energías cada vez más altas, las fuerzas separadas que gobiernan nuestro mundo de baja temperatura, se hacen más parecidas. La fuerza fuerte se debilita, la fuerza débil aumenta y fortalece. Aparecen nuevas partículas a medida que se alcanzan temperaturas más elevadas y consiguen producir interacciones entre las familias separadas de partículas que a temperaturas bajas, parecen estar aisladas entre sí. Poco a poco, a medida que nos acercamos a esas inimaginables condiciones de temperatura “última” que Max Planck encontró definida por las cuatro constantes de la naturaleza, G, K, c, h, esperamos que las diferencias entre las fuerzas naturales se vayan borrando completamente para finalmente quedar unificadas en una única fuerza como, por otra parte, se cree que fue al principio de todo, cuando en el Big Bang, el proceso ocurrió al contrario. Había una increíble temperatura, un plasma primordial lo invadía todo y se expansionaba, naciendo el tiempo y el espacio cuando reinaba la simetría total y una sola fuerza lo regía todo. El universo continuó su expansión y comenzó a enfriarse, la simetría se rompió y lo que era una sola fuerza se dividió en las cuatro que ahora conocemos. Previamente, a partir del plasma, al bajar la temperatura, surgieron los quarks que se juntaron para formar protones y neutrones que, a su vez, se juntaron para formar núcleos que, al ser rodeados por los electrones atraídos por la carga positiva de los núcleos, formaron los átomos, que se unieron para formar moléculas, que se juntaron para formar la materia, que más tarde, dio lugar al nacimiento de las primeras estrellas y galaxias con sus variedades de objetos estelares, planetas, satélites, cometas, meteoritos, etc.

Democrito, nunca pudo sospechar, hasta donde llegaría su idea. Aquella primera intuición de cómo estaba compuesta la materia. Él creyó en un indivisible á-tomo que, pasado el tiempo, resultó ser algo más complejo. Sin embargo, la idea era…la sombra de una realidad. Todo lo grande está hecho de muchas cosas pequeñas: De Quarks y Leptones.

Muchos han sido los comentarios en los que, explicaba algunos detalles de alfa (a) y del número 137. En la literatura científica podemos encontrar todo tipo de coincidencias numéricas que involucran a los valores de las constantes de la naturaleza.

El valor experimental de la constante de estructura fina es: 1/α=137’085989561…

Pero muchos dieron su versión numérica, aquí están algunas:

Ni siquiera Heisemberg (el padre del principio de Incertidumbre de la Mecánica Cuántica),  se pudo resistir a ironizar suponiendo que , 1/α = 2⁴3³/ π  pero en plan de broma.

De entre todos los que intentaron descubrir los misterios del 137, me detendré un momento en Arthur Eddington, uno de los más grandes astrofísicos del siglo XX, combinación de lo más profundo y lo fantástico. Más que cualquier otra figura moderna es el responsable de poner en marcha los inacabables intentos de explicar las constantes de la naturaleza por proezas de numerología pura. Él también advirtió un aspecto nuevo y espectacular de las constantes de la naturaleza.

Conocemos de otras muchas funciones que en la materia y las partículas que las confroman están presentes, sin embargo, no sabemos que puede haber más alla de los Quarks, esas distancias a las que podrían encontrarse esos otros objetos (si en realidad existen, como por ejemplo las cuerdas), no están a nuestro alcance, no podemos disponer de la Energía de Planck, 10¹⁹ GeV para llegar hasta ellas. Poe ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 kg y las mayores energía alcanzables en nuestros aceleradores actuasles son del orden de 10³ GeV (aunque ahora con el LHC tenemos hasta 14 TeV), pero los efectos de la gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Sin embargo, en el Universo primitivo las partículas tenían energías del orden de la masa de Planck 10^-8 kg que es la equivalente en energía a los 10¹⁹ GeV que serían necesarios para sondear, no ya a los Quarks sino también las cuerdas.

Cuando los físicos empezaron a apreciar el papel de las constantes en el dominio cuántico y explotar la nueva teoría de la gravedad de Einstein para describir el universo en conjunto, las circunstancias eran las adecuadas para que alguien tratara de casarlas.

Así entró en escena Arthur Stanley Eddington: un extraordinario científico que había sido el primero en descubrir cómo se alimentaban las estrellas a partir de reacciones nucleares. También  hizo importantes contribuciones a nuestra comprensión de las galaxias, escribió la primera exposición sistemática de la teoría de la relatividad general de Einstein y fue el responsable de la expedición que durante un eclipse de Sol, pudo confirmar con certeza la predicción de la relatividad general que debería desviar la luz estelar que venía hacia la Tierra en aproximadamente 1’75 segundos de arco cuando pasaba cerca de la superficie solar, cuyo espacio estaría curvado debido a la gravedad generada por la masa del Sol. En aquella expedición, el equipo de Eddington hizo una exitosa medición del fenómeno desde la isla Príncipe, que confirmó que Einstein tenía razón y que su teoría predecía de manera exacta la medida de curvatura del espacio en función de la masa del objeto estelar que genera la gravitación distorsionando el espaciotiempo a su alrededor.

Esta historia es tan larga que podríamos estar años hablando de lo mucho que vamos aprendiendo según transcurre el tiempo, y, cada nuevo dato que podemos conquistar, cada nuevo saber, nos dan laposiblidad de hacer nuevas preguntas y, de esa manera, desvelando misterios y buscando otros nuevos para desvelar, vamos haciendo el camino.

emilio silvera

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas  diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, pero esto lo veremos más adelante.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Cuando Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro para todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero para los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de forma tal que con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento musical se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a esta exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran número de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo,  la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a esta interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos ahora se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de forma estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.

Albert Einstein, Nathan Rosen y Boris Podolski idearon un “Gedankenexperiment”, un experimento hipotético, realizado sobre el papel, para el cual la mecánica cuántica predecía como resultado algo que es imposible de reproducir en ninguna teoría razonable de variables ocultas. Más tarde, el físico irlandés John Stewar Bell consiguió convertir este resultado en un teorema matemático; el teorema de imposibilidad.

emilio silvera

La Relatividad General tuvo una evolución normal y lógica, postula el principio de equivalencia y luego formuló este principio físico en matemáticas de una teoría de campos de Faraday y el Tensor Métrico de Riemann. Después llegaron las soluciones clásicas como los Agujeros Negros y el Big Bang.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1.968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

La teoría nació casi por casualidad en 1.968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas, figurense ustedes que, estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas.

Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler, una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

               Vista aérea del CERN

Según he leido, durante un almuerzo en el Lawrence Berkeley Laboratory en California, con una espectacular vista del Sol brillando sobre el puerto de San Francisco, Suzuki le explicó a Michio Kaku, mientras almorzaban la excitación de descubrir, prácticamente por casualidad, un resultado parcialmente importante. No se suponía que la física se pudiera hacer de ese modo casual.

Tras el descubrimiento, Suzuki, muy excitado, mostró el hallazgo a un físico veterano del CERN. Tras oir a Suzuki, el físico veterano no sé impresionó. De hecho, le dijo a Suzuki que otro físico joven (Veneziano) había descubierto la misma función unas semanas antes. Disuadió a Suzuki de publicar su resultado. Hoy, esta función beta se conoce con el nombre de modelo Veneziano, que ha inspirado miles de artículos de investigación iniciando una importante escuela de física y actualmente pretende unificar todas las leyes de la física.

En 1.970, el Modelo de Veneziano – Suzuki ( que contenía un misterio ), fue parcialmente explicado cuando Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago, y Tetsuo Goto, de la Nihon University, descubrieron que UNA CUERDA VIBRANTE yace detrás de sus maravillosas propiedades.

Así que, como la teoría de cuerdas fue descubierta hacia atrás y por casualidad, los físicos aún no conocen el principio físico que subyace en la teoría de cuerdas vibrantes y sus maravillosas propiedades.

El último paso en la evolución de la teoría de cuerdas (y el primer paso en la evolución de la relatividad general ) aún está pendiente de que alguien, sea capaz de darlo.

¿Esto puede ser una cuerda? Para poder explicarlo, antes habría que esperar que se inventaran las matemáticas necesarias para ello, toda vez que, según parece, ésta teoría está algo adelantada a su tiempo, y, ni se deja verificar mediante la experimentación ni procedimiento alguno que en física, pueda considerarse válido para que, “esa cuerda” se pueda considerar teoría. Así que la dejaremos en la categoría de hipótesis avanzada y de mucho porvenir.

Así, Witten dice:

“Los seres humanos en el planeta tierra nunca dispusieron del marco conceptual que les llevara a concebir la teoría de supercuerdas de manera intencionada, surgió por razones del azar, por un feliz accidente. Por sus propios méritos, los físicos del siglo XX no deberían haber tenido el privilegio de estudiar esta teoría muy avanzada a su tiempo y a su conocimiento. No tenían (ni tenemos ahora mismo) los conocimientos y los prerrequisitos necesarios para desarrollar dicha teoría, no tenemos los conceptos correctos y necesarios.“

Actualmente, como ha quedado dicho en estos trabajos que venimos presentando, Edwar Witten, es el físico teórico que, al frente de un equipo de físicos de Princeton, lleva la bandera de la teoría de supercuerdas con aportaciones muy importantes en el desarrollo de la misma.

De todas las maneras, aunque los resultados y avances son prometedores, el camino por andar es largo y la teoría de supercuerdas en su conjunto, es un edificio con muchas puertas cerradas de las que no tenemos las llaves para acceder a su interior y mirar lo que allí nos aguarda.

El problema está en que nadie es lo suficientemente inteligente para resolver la teoría de campos de cuerdas o cualquier otro enfoque no perturbativo de esta teoría. Se requieren técnicas que están actualmente más allá de nuestras capacidades.

Para encontrar la solución, deben ser empleados técnicas no perturbativas, que son terriblemente difíciles. Puesto que el 99 por ciento de lo que conocemos sobre física de altas energías se basa en la teoría de perturbaciones, esto significa que estamos totalmente perdidos a la hora de encontrar la verdadera solución de la teoría:

¿ Por qué diez dimensiones ? ¿Por qué once? y, otras ¿Por qué 26?

Uno de los secretos más profundos de la teoría de cuerdas, que aún no es bien comprendido, es por qué está definida solo en diez , once y veintiséis dimensiones. De todas las maneras, como nos dice Michiu Kaku, ese Físico que mira hacia el futuro, habría que tener presente las funciones modulares del Ramanujan para ver sí, dentro de ellas, están las respuestas de esas preguntas que, por ahora, nadie ha sabido contestar.

Gran parte de este trabajo es original del libro Hiperespacio de Michio Kaku, y, desde luego, como él nos anuncia, la Física tiene muchas de las respuestas que buscamos, sin embargo, también como nos dice la misma Física, algunas veces esas respuestas están situadas en la parte más simple de lo que estamos estudiando y, sin embargo, nos empeñamos en ahondar, de manera innecesaria hacia lo más profundo e incomprensible para buscar lo que tenemos delante de nuestras propias narices.

Si el límite de todas las teorías están marcados por las unidades de Planck, ya sabemos hasta dónde podemos llegar y, desde luego, la verificación de la Teoría de cuerdas, si como dicen los expertos necesita de la energía de Planck (10¹⁹ GeV) para ser verificada, entonces, nos queda mucho que esperar porque, ¿cuándo podrán tener los humanos esa energía a su disposición?

Con eso pasa lo mismo que ocurre con la velocidad de la luz, si pensamos visitar otras estrellas con naves espaciales…vamos dados, toda vez que, ya nos dice la Relatividad Especial que la luz, es el muro infranqueable, nada en nuestro Universo la puede superar y, a medida que la nave se acerque a esa velocidad, su masa irá en aumento y llegará a un límite insostenible, infinito (El argumento energético tiene como base la más famosa ecuación de la Física E = mc² – E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz). La masa m es una cantidad que aumenta con la velocidad v de la forma a m = m_o (1 – v²/c²)^- ½, siendo m_o la masa en reposo del objeto (nave, etc.). Esto deja claro que incluso aproximarse a la velocidad de la luz, c, requiere cantidades inmensas de energía, al mismo tiempo que los objetos, a medida que se acerquen a dicho límite, esa energía la absorben en forma de masa. Ahí tenemos a los muones que, lanzados a velocidades cercanas a la de la luz en el CERN, han llegado a tener una masa diez veces superior a la suya.

Si eso es así, ¿qué podemos hacer para solventar esos graves problemas? Por una parte tenemos que avanzar en las teorías, y, es verdad que para no quedarnos parados necesitamos ¡ya! una teoría cuántica de la Gravedad que nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas, y, por otro lado (aunque todavía tarde un poco), nuestro Sol tiene una vida limitada, y, pensando que podamos llegar hasta ese final, en que se convierta en gigante roja y enana blanca, sabemos que, para entonces, nosotros no podemos seguir aquí, los océanos de la Tierra serán calcinados y nosotros, los seres humanos, debemos buscar otro aposento, otro habitat, otro mundo. Sin embargo, superar la velocidad de la luz se nos hace algo cuesta arriba. ¿Qué podremos hacer?

Precisamente por esas incognitas que están en nuestro horizonte futuro, debemos continuar tratando de buscar las soluciones a esos, al parecer, insolubles problemas que, según creo, sí que podremos solucionar si tenemos tiempo por delante y somos, nosotros mismos, los que nos encargamos de que, nuestro tiempo se acabe.

Las Teorías pueden ser magnificas en su momento y durante un tiempo (Einstein, Planck, etc.), pero sabemos que, nada perdura por mla eternidad y  lo que hoy es, mañana resulta ser de manera distinta, más avanzada y profunda que viene a rectificar (en parte) la desviación de aquella primera teoría. Cada vez se afina más en el conocimiento de la Naturaleza y, en ella, amigos míos, están todas las respuestas que, con tanta ansiedad buscamos.

Hablamos de la Gravedad sin conocerla en profundidad, no sabemos en realidad que es la Mecánica cuántica, si se tercia, no tenemos ningún problema en hablar de las fluctuaciones de vacío o de universos paralelos, incluso, hay físicos que nos hablan de que todo el universo está permeado por una sustancia en la que nada el Bosón de Higgs. ¿Quién sabe? incluso pueden llevar razón. Sin embargo, mejor sería que hablaran con propiedad, que dijeran cuando hablan: “creo que…” y, de esa manera, sin dar nada por sentado, se puede imaginar, se puede expresar los pensamientos y contar a los otros lo que cada cual pueda estar viendo. Así nacen las buenas teorías, en la imaginación de mentes bien entrenadas que, como las de Einstein, tienen la posibilidad de ver algo más allá que los demás.

Sí, finalmente, será nuestra imaginación la que nos saque de los muchos atolladeros que en el futuro nos esperan. Somos una especie que, gracias a su inmensa imaginación, puede repentizar soluciones a problemas inesperados, y, tal cosa, no es fácil de adquirir, se tiene o no se tiene y nosotros, la tenemos.

Por cierto, ¿no es curioso que, cuando los Físicos especializados se ponen a desarrollar las matemáticas de la Teoría de cuerdas, como por arte de magia, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad General de Einstein? ¿Qué significa eso? ¿Acaso la teoría de Einstein subyace en la Teoría de cuerdas?

Bueno, podría ser un buen indicio de que la Teoría de Cuerdas está en el buen camino.

emilio silvera

Aceleradores

Rutherford y los otros pioneros de la investigación de las propiedades nucleares estaban limitados a emplear en sus investigaciones sobre el átomo las emisiones de alta energía procedentes de sustancias radiactivas naturales. Las emisiones artificiales de alta energía fueron producidas por primera vez en 1932 por el físico británico John Cockcroft y su colega irlandés Ernest Walton, que emplearon generadores de alta tensión para acelerar electrones hasta unos 700.000 eV; estos elementos fueron utilizados para bombardear núcleos de litio, que se transformaron en núcleos de helio. Un electronvoltio (eV) es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio, y equivale a 1,6 × 10-19 julios. Los aceleradores modernos producen energías de millones de eV (megaelectronvoltios, o MeV), miles de millones de eV (gigaelectronvoltios, o GeV) o incluso billones de eV (teraelectronvoltios, o TeV). La posibilidad de generar tensiones muy elevadas apareció en 1932, cuando el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff inventó el aparato conocido como generador de Van de Graaff.

Poco tiempo después, los físicos estadounidenses Ernest Orlando Lawrence y Milton Stanley Livingston inventaron el ciclotrón; este dispositivo emplea un campo magnético para mantener partículas cargadas moviéndose en trayectorias circulares, y en cada media vuelta proporciona a las partículas un pequeño “empujón” eléctrico hasta que acumulan las altas energías deseadas. El ciclotrón permitía acelerar protones hasta unos 10 MeV, pero para obtener energías más elevadas hubo que esperar hasta después de la II Guerra Mundial, cuando se desarrolló el sincrotrón a partir de las ideas del físico estadounidense Edwin Mattison McMillan y el físico soviético Vladimir I. Veksler. Después de la II Guerra Mundial se produjeron rápidos avances en el diseño de aceleradores y se construyeron aparatos de diferentes tipos para producir haces de alta energía de electrones, protones, deuterones, iones pesados o rayos X.

Los aceleradores de menores energías tienen diferentes aplicaciones en industrias y laboratorios, mientras que los más potentes se utilizan para estudiar la estructura de las partículas elementales, los componentes básicos de la naturaleza. En estos estudios se desintegran partículas elementales golpeándolas con haces de proyectiles, que suelen ser protones o electrones. La distribución de los fragmentos proporciona información sobre la estructura de las partículas elementales.

Para obtener información más detallada hace falta usar proyectiles con más energía. Como los proyectiles se aceleran “empujándolos” para obtener mayores energías, hace falta “empujarlos” durante un tiempo mayor. Por eso, los aceleradores de altas energías suelen ser más grandes. La mayor energía de haz obtenida a finales de la II Guerra Mundial era menor de 100 MeV. En 1952 se produjo un avance revolucionario en el diseño de aceleradores cuando los físicos estadounidenses Livingston, Ernest D. Courant y Hartland S. Snyder introdujeron el principio de enfoque intenso. En la actualidad, los mayores aceleradores del mundo producen haces de protones con energías superiores a 1 TeV.

Detectores de partículas

En sus comienzos, la detección y análisis de partículas elementales se basaba en su capacidad para impresionar emulsiones fotográficas y excitar materiales fluorescentes. El físico británico C. T. R. Wilson observó por primera vez las trayectorias de partículas ionizadas en una cámara de niebla, donde las gotitas de agua se condensaban sobre los iones producidos por las partículas a su paso por la cámara. Mediante campos eléctricos o magnéticos era posible desviar las trayectorias de las partículas, lo que proporcionaba información sobre su momento lineal y su carga eléctrica. Un avance significativo sobre la cámara de niebla fue la cámara de burbujas, inventada por el físico estadounidense Donald Arthur Glaser en 1952. A diferencia de la cámara de niebla, este dispositivo emplea un líquido (por lo general hidrógeno a presión) en lugar de aire; los iones producidos por una partícula rápida se convierten en centros de ebullición y dejan una trayectoria de burbujas fácilmente visible. Como la densidad del líquido es mucho mayor que la del aire, en una cámara de burbujas se producen más interacciones que en una cámara de niebla. Además, las burbujas desaparecen más deprisa que las gotitas de agua, lo que permite una recuperación más rápida de la cámara. Un tercer avance, la cámara de chispa, surgió también en la década de 1950. En este aparato, una serie de placas paralelas se mantiene a una diferencia de potencial elevada en una atmósfera gaseosa adecuada. Cuando una partícula ionizante pasa entre las placas, los átomos de gas se ionizan y producen chispas que delinean la trayectoria de la partícula.

Rayos cósmicos

Alrededor de 1911, el físico estadounidense de origen austriaco Victor Franz Hess estudió los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos primarios están formados por partículas que proceden directamente del exterior de la atmósfera terrestre. Los rayos cósmicos secundarios son partículas y radiaciones producidas en la colisión de las partículas de rayos cósmicos primarios con los átomos de la atmósfera. Hess descubrió que la distribución de los rayos cósmicos está determinada por el campo magnético terrestre. Se comprobó que los rayos estaban cargados positivamente y corresponden sobre todo a protones con energías situadas entre 1 y 1011 GeV. Los rayos cósmicos atrapados en órbitas alrededor de la Tierra son los responsables de los cinturones de radiación de Van Allen, descubiertos por el primer satélite artificial estadounidense, lanzado en 1958.

Cuando un protón primario de alta energía entra en la atmósfera y colisiona con los núcleos de nitrógeno y oxígeno del aire, produce grandes cantidades de partículas secundarias que se dirigen hacia la Tierra formando una lluvia de rayos cósmicos. El origen de los protones de los rayos cósmicos primarios todavía no se comprende en su totalidad. Se sabe que algunos proceden del Sol y otras estrellas, pero los de energías más altas son difíciles de explicar: parece probable que los débiles campos galácticos aceleren los protones interestelares a lo largo de periodos extremadamente largos.

Física del estado sólido

En los sólidos, los átomos están densamente empaquetados, lo que lleva a la existencia de fuerzas de interacción muy intensas y numerosos efectos relacionados con este tipo de fuerzas que no se observan en los gases, donde las moléculas actúan en gran medida de forma independiente. Los efectos de interacción son responsables de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos, un campo que resulta difícil de tratar desde el punto de vista teórico, aunque se han realizado muchos progresos.

Una característica importante de la mayoría de los sólidos es su estructura cristalina, en la que los átomos están distribuidos en posiciones regulares que se repiten de forma geométrica. La distribución específica de los átomos puede deberse a una variada gama de fuerzas. Por ejemplo, algunos sólidos como el cloruro de sodio o sal común se mantienen unidos por enlaces iónicos debidos a la atracción eléctrica entre los iones que componen el material. En otros, como el diamante, los átomos comparten electrones, lo que da lugar a los llamados enlaces covalentes. Las sustancias inertes, como el neón, no presentan ninguno de esos enlaces. Su existencia es el resultado de unas fuerzas de atracción conocidas como fuerzas de van der Waals, así llamadas en honor al físico holandés Johannes Diderik van der Waals. Estas fuerzas aparecen entre moléculas o átomos neutros como resultado de la polarización eléctrica. Los metales, por su parte, se mantienen unidos por lo que se conoce como “gas electrónico”, formado por electrones libres de la capa atómica externa compartidos por todos los átomos del metal y que definen la mayoría de sus propiedades.

Los niveles de energía definidos y discretos permitidos a los electrones de átomos individuales se ensanchan hasta convertirse en bandas de energía cuando los átomos se agrupan densamente en un sólido. La anchura y separación de esas bandas definen muchas de las propiedades del material. Por ejemplo, las llamadas bandas prohibidas, en las que no pueden existir electrones, restringen el movimiento de éstos y hacen que el material sea un buen aislante térmico y eléctrico. Cuando las bandas de energía se solapan, como ocurre en los metales, los electrones pueden moverse con facilidad, lo que hace que el material sea un buen conductor de la electricidad y el calor. Si la banda prohibida es estrecha, algunos de los electrones más rápidos pueden saltar a la banda de energía superior: es lo que ocurre en un semiconductor como el silicio. En ese caso, el espacio entre las bandas de energía puede verse muy afectado por cantidades minúsculas de impurezas, como arsénico. Cuando la impureza provoca el descenso de una banda de energía alta, se dice que es un donante de electrones, y el semiconductor resultante se llama de tipo n. Cuando la impureza provoca el ascenso de una banda de energía baja, como ocurre con el galio, se dice que es un aceptor de electrones. Los vacíos o “huecos” de la estructura electrónica actúan como si fueran cargas positivas móviles, y se dice que el semiconductor es de tipo p. Numerosos dispositivos electrónicos modernos, en particular el transistor, desarrollado por los físicos estadounidenses John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, están basados en estas propiedades de los semiconductores.

Las propiedades magnéticas de los sólidos se deben a que los electrones actúan como minúsculos dipolos magnéticos. Casi todas las propiedades de los sólidos dependen de la temperatura. Por ejemplo, los materiales ferromagnéticos como el hierro o el níquel pierden su intenso magnetismo residual cuando se los calienta a una temperatura característica denominada punto de Curie. La resistencia eléctrica suele decrecer al disminuir la temperatura, y en algunos materiales denominados superconductores desaparece por completo en las proximidades del cero absolut . Éste y muchos otros fenómenos observados en los sólidos dependen de la cuantización de la energía, y la mejor forma de describirlos es a través de “partículas” efectivas con nombres como fonón, polarón o magnón.

Criogenia

A temperaturas muy bajas (cerca del cero absoluto), muchos materiales presentan características sorprendentes.A comienzos del siglo XX, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes desarrolló técnicas para producir estas bajas temperaturas y descubrió la superconductividad del mercurio, que pierde toda su resistencia eléctrica a una temperatura de unos 4 kelvins. A muchos otros elementos, aleaciones y compuestos les ocurre lo mismo a una temperatura característica cercana a 0 K, y los materiales magnéticos se convierten en aislantes magnéticos. Desde 1986 se han fabricado varios materiales que presentan superconductividad a temperaturas mayores. La teoría de la superconductividad, desarrollada en gran medida por John Bardeen y otros dos físicos estadounidenses, Leon N. Cooper y John Robert Schrieffer, es extremadamente complicada, e implica el apareamiento de electrones en la red cristalina.

Otro descubrimiento fascinante fue el de que el helio no se congela, sino que a unos 2 K pasa de ser un líquido ordinario, denominado He I, a convertirse en He II, un líquido superfluido que no tiene viscosidad y presenta una conductividad térmica unas 1.000 veces mayor que la de la plata. El He II puede formar películas que se desplazan hacia arriba por las paredes del recipiente que lo contiene, y traspasa con facilidad materiales como el platino. Aún no hay una teoría plenamente satisfactoria para este comportamiento

Láser

Un importante avance reciente es el láser, acrónimo en inglés de “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”. En un láser, cuya sustancia activa puede ser un gas, un líquido o un sólido, se excita un gran número de átomos hasta un nivel elevado de energía y se hace que liberen dicha energía simultáneamente, con lo que producen luz coherente en la que todas las ondas están en fase. Esta coherencia permite generar haces de luz muy intensos y de longitud de onda muy definida, que se mantienen enfocados o colimados a lo largo de distancias muy grandes. La luz láser es mucho más intensa que la de cualquier otra fuente. Un láser continuo puede proporcionar cientos de vatios, y un láser pulsado puede generar millones de vatios durante periodos muy cortos. El láser fue desarrollado en las décadas de 1950 y 1960 por el ingeniero e inventor estadounidense Gordon Gould y los físicos estadounidenses Charles Hard Townes, T. H. Maiman, Arthur Schawlow y Alí Javan. En la actualidad constituye un instrumento muy potente para la ciencia y la tecnología, con aplicaciones en comunicación, medicina, navegación, metalurgia, fusión y corte de materiales.

Astrofísica y cosmología

Desde la II Guerra Mundial los astrónomos han hecho muchos descubrimientos importantes, como los quásares, los púlsares  o la radiación de fondo cósmica. Estos descubrimientos, que no pueden ser explicados totalmente por la física actual, han estimulado el avance de la teoría en campos como la gravitación o la física de partículas elementales. En la actualidad se acepta que toda la materia accesible a nuestra observación estaba originalmente comprimida de forma muy densa en un solo lugar, y explotó entre 10.000 y 20.000 millones de años antes del momento presente en un estallido colosal conocido como Big Bang o Gran Explosión. La explosión dio lugar a un universo que todavía se está expandiendo. Un aspecto enigmático de este universo, recientemente descubierto, es que las galaxias no están distribuidas de modo uniforme. Hay inmensos espacios vacíos rodeados por grupos de galaxias con forma de filamentos. La distribución de esos vacíos y filamentos aporta datos importantes sobre la naturaleza de la materia que surgió de la Gran Explosión e indica que es muy probable que la llamada materia oscura predominase sobre las formas conocidas de materia. Éste es sólo uno de los puntos en los que “la física de lo muy grande” enlaza con “la física de lo muy pequeño”.

Autor: Christian Martin Machado

 

Aquel trabajo de sólo ocho páginas que escribió Max Planck y se publicó en 1.900, lo cambió todo. El mismo Planck se dio cuenta de que, todo lo que él había tenido por cierto durante cuarenta años, se derrumbaba con ese trabajo suyo que, venía a decirnos que el mundo de la materia y la nergía estaba hecho a partir de lo que el llamaba “cuantos”.

Supuso el nacimiento de la Mecánica Cuántica (MC), el fin del determinismo clásico y el comienzo de una nueva física, la Física Moderna, de la que la Cuántica sería uno de sus tres pilares junto con la Relatividad y la Teoría del Caos. Más tarde, ha aparecido otra teoría más moderna aún por comprobar, las cuerdas…

El universo según la teoría de las cuerdas sería entonces una completa extensa polícroma SINFONIA ETERNA de vibraciones, un multiverso infinito de esferas, cada una de ellas un universo independiente causalmente, en una de esas esferas nuestra vía láctea, en ella nuestro sistema solar, en él nuestro planeta, el planeta tierra en el cual por una secuencia milagrosa de hechos se dió origen a la vida autoconsciente que nos permite preguntarnos del cómo y del por qué.

Claro que, cuando nos adentramos en ese minúsculo “mundo” de lo muy pequeño, las cosas difieren y se apartan de lo que nos dicta el sentido común que, por otra parte, es posible que sea el menos común de los sentidos. Nos dejamos guiar por lo que observamos, por ese mundo macroscópico que nos rodea y, no somos consciente de ese otro “mundo” que está ahí formando parte del universo y que, de una manera muy importante incide en el mundo de lo grande, sin lo que allí existe, no podría existir lo que existe aquí.

 Albert Einstein habría dicho que “es más importante la imaginación que el conocimiento”, el filósofo Nelson Goodman ha dicho que “las formas y las leyes de nuestros mundos no se encuentran ahí, ante nosotros, listas para ser descubiertas, sino que vienen impuestas por las versiones-del-mundo que nosotros inventamos – ya sea en las ciencias, en las artes, en la percepción y en la práctica cotidiana-.”

Sin embargo yo, humilde pensador, me decanto por el hecho cierto de que el hombre/mujer, siempre llegó al conocimiento a través de la imaginación a la que acompañaba largas secciones de estudio y muchas horas de mediatación y, de todo ello, surgían esos nuevos mundos que, como la Mecanica Cuántica y la Relatividad, nos describían el propio mundo que antes nos era desconocido.

La Mecánica cuántica venía a describir otro mundo que, se alejaba del conocido y cotidiano mundo del día a día. Nosotros conocemos el comportamiento de los objetos macroscópicos, de todo lo que vemos continuamente a nuestro alrededor pero, se nos escapa ese otro extraño mundo que, en el ámbito de lo muy pequeño, también está ahí y, cuando nos acercamos a “su mundo” podemos comprobar que las cosas más extrañas ocurren allí.

ARTHUR HOLLY COMPTON (1892-1962)

Por ejemplo, el fenómeno, observado en 1923 por Arthur Holly Compton, mientras realizaba investigaciones sobre la difusión de los rayos X, sólo puede explicarse a partir de los principios de la mecánica cuántica.

Así, si se considera que la radiación electromagnética está constituida por cuantos de energía llamados fotones, en su interacción con la materia puede absorberse parte de estos fotones. En tal caso, la energía global de la radiación disminuiría, y también su frecuencia, con lo que aumentaría la longitud de onda.

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Longitud de onda de Compton

El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco teórico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energía electromagnética. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiación (fotones) es Ef = hn, que también se puede escribir como Ef = w, siendo = h / 2p, el momento lineal de cada fotón viene definido por:

Veamos  que otras cosas ocurren…

a) Rompe con las concepciones clásicas sobre trayectoria, determinismo, continuidad de la energía, distinción entre ondas y partículas, etc.

El fotón es una manifestación de las ondas electromagnéticas empaquetadas formando una partícula, la cual se define como “campo cuántico”, es decir, un campo que toma la forma de partícula.Con masa en reposo nula y que consiste en un cuanto de radiación electromagnética. Es considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Viajan a la velocidad de la luz. Son necesarios para explicar el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula. Por otra parte y en otros contextos, su comportamiento puede ser el de onda.

b) Únicamente es válida -y por tanto aplicable- cuando el sistema tiene el tamaño del átomo o inferior. En este caso las leyes clásicas no se cumplen, y hay que sustituirlas por las de la física cuántica.

A diferencia de la relatividad, esta sustitución supone una ruptura drástica con la Física Clásica.

c) La MC es una labor de equipo, en la que intervino en sus principios el mismo Albert Einstein. Por el contrario la Relatividad es una obra casi exclusiva de un solo hombre que, supo aunar pensamientos dispersos y unirlos a los propios para conformar la bella teoría.

De los muchos científicos que participaron en la construcción de la MC, en los primeros treinta años del siglo XX, cabe destacar desde A. Einstein y N. Bohr hasta E. Fermi y P. Dirac, sin olvidarnos de Bose ni del príncipe L. de De Broglie.

Todos ellos, a pesar de sus diferencias teóricas, utilizaron la constante h de Planck y la medida discreta en la que, según ella, existe el mundo microscópico.

El espectro de radiación (o intensidad para la longitud de onda) al que llegó Max Planck tiene una forma característica así:

                                                            Los Físicos designan este espectro con el nombre de Radiación de Cuerpo Negro.

La MC es, sin duda alguna, la teoría que más polémica y discusiones ha suscitado y suscita en la historia de la Física.

En primer lugar porque sus fundamentos e interpretaciones físicas, dado lo revolucionario de sus afirmaciones, siguen estando cuestionadas por algunos físicos. De hecho ya lo estuvo desde el mismo Einstein.

Y en segundo lugar porque sus conclusiones y predicciones, son todo un ataque al sentido común de la mayoría de las personas. Incluidos los propios científicos.

Sin embargo la MC es la teoría física que con más precisión, el hombre ha comprobado que se cumpla. Ninguna otra como ella ha conseguido esa precisión tan extrema.

Modelo Mecánico-Cuántico del átomo

Quienes sentaron las bases del nuevo modelo mecanico cúantico (después de Planck y Einstein) fueron tres científicos:

a) En 1924, Louis de Broglie, postuló que los electrones tenían un comportamiento dual de onda y partícula. Cualquier partícula que tiene masa y que se mueve a cierta velocidad, también se comporta como onda.

b) En 1927, Werner Heisenberg, sugiere que es imposible conocer con exactitud la posición, el momento y la energía de un electrón. A esto se le llama “principio de incertidumbre”

c) En 1927, Erwin Schrödinger, establece una ecuación matemática que al ser resuelta permite obtener una función de onda (psi cuadrado) llamada orbital. Esta describe probabilisticamente el comportamiento de un electrón en el átomo. Esta función es llamada densidad electrónica e indica la probabilidad de encontrar un electrón cerca del núcleo. La probabilidad es mayor mientras más cercana al núcleo y menor si nos alejamos del núcleo. Con esta teoría de Schrödinger queda establecido que los electrones no giran en orbitas alrededor del núcleo como el modelo de Bohr, sino en volumenes alrededor del núcleo.

LA FUNCION DE ONDA DE SCHRÖDINGER

Tomando la idea de De Broglie acerca de la misteriosa onda piloto que transportaba los electrones alrededor del átomo y la llevó un paso más allá. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describía completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional.

Esta ecuación se llama, hoy en día, la Ecuación de onda de Schrödinger. Es increíblemente poderosa. Y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda (Ψ) que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico.

La ecuación de Schrödinger y la imagen del átomo que describía, creada durante unas vacaciones cargadas de sexualidad en los Alpes suizos, permitió una vez más que los científicos pudieran imaginar el átomo en términos simples. Es difícil estimar el alivio que la idea de Schrödinger produjo en la comunidad de la física tradicional. Aunque extraña, su imagen del átomo era, al menos, una imagen y los científicos aman las imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición.

Pero todavía quedaba un fastidioso problema, uno que los radicales creyeron que Schrödinger no podría resolver. Su nueva teoría todavía no podía explicar los extraños saltos cuánticos instantáneos de Bohr. Llegó el momento de que los radicales golpearan de nuevo.

En el verano de ese mismo año, un protegido de Niels Bohr, Werner Heisenberg, viajaba a una oscura isla frente a la costa norte de Alemania. Era ferozmente competitivo y tomó las ideas de Schrödinger como una afrenta personal.

El creyó firmemente que la rareza de los saltos cuánticos instantáneos eran realmente la clave para la comprensión del átomo. Pensaba que el átomo era tan único e inusual, que no debería ser descrito, usando una simple analogía, como una onda o una órbita, o incluso como un edificio de varios pisos. A su juicio, había llegado el momento de abandonar cualquier imagen del átomo.

De ahí salió el Principio de Indeterminación o Incertidumbre que caracteriza a la Mecánica cuántica y que nos lleva al hecho cierto de que nunca, en ese mundo, lo podremos saber todo al mismo tiempo.

Hay dos proposiciones básicas dadas en física cuántica que son los fundamentos sobre los cuales se construyo como modelos cuánticos. Uno de ellos es el principio de incertidumbre de Heisenberg, el cual dice:

“ Es imposible determinar simultánea y precisamente, por medios experimentales, la posición exacta y la cantidad de movimiento exacto (o contenido de energía) de una partícula pequeña como el electrón”.

El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia hace décadas. El problema es el siguiente:

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la Física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del Universo a una escala máxima: estrellas, Galaxias, cúmulos (o clusters) de Galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio Universo.

El otro pilar es la mecánica cuántica que, en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por W.Heisemberg, Schrödinger, el mismo Einstein, Dirac, Niels Bohr y otros y que nos ofrece un marco teórico para comprender el Universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Quarks y leptones

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Gell-Mann fue aún más allá que Mendeleev, ya que no sólo ordenó el espectro de los hadrones sino que además introdujo el modelo más exitoso sobre su estructura interna, al postular que estos están formados por partículas puntuales a las que denominó quarks. Para explicar el espectro conocido, Gell-Mann propuso que estos quarks debían existir en tres “sabores” distintos, a los que llamó up, down y strange y que debían poseer carga eléctrica fraccionaria respecto de la del electrón. El quark up está cargado positivamente con 2/3 la carga del electrón, mientras que los otros dos poseen una carga de -1/3 en las mismas unidades. Todos los bariones conocidos pueden entenderse como compuestos por tres de estos quarks, por ejemplo el protón está formado por dos quarks u y un d (y el neutrón por dos d y un u), mientras que los mesones se componen de un quark y un antiquark.

Las figuras muestran la composición elemental de algunos de los hadrones conocidos.

Espectro de bariones en términos de quark

Durante las décadas siguientes se encontrarían nuevos hadrones que llevarían a postular la existencia de otros tres sabores de quarks, cada uno más pesado que el anterior, bautizados charm, bottom y top. Los seis quarks pueden ser agrupados en tres familias, de a pares, de acuerdo con sus características. La tabla siguiente resume sus propiedades fundamentales.

A su vez, fueron hallados nuevos leptones, sorpresivamente llegando al número de seis, igual que en el caso de los quarks. Además de los “parientes” pesados del electrón, como el muón y el tau, se hallaron partículas de carga neutra y masa casi nula a las que se llamó neutrinos, existiendo uno por cada familia de leptones. La tabla siguiente resume sus propiedades básicas.

Por el momento entendemos que toda la materia está formada por quarks y electrones. Los primeros forman a los protones y a los neutrones que se encuentran en el núcleo de los átomos, con electrones “orbitando” a su alrededor.

Durante años de investigación los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: Tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no puede ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizado por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota, la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que es debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de Neutrones y Agujeros Negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado, las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

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El espacio tiempo se curva en presencia de mundos y estrellas…

No obstante, el Universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del Universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la Física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del Universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el Universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y, conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

Un niverso iniforme que está determinado por el espacio-tiempo y la materia que contiene y que, nos presenta una serie de complejas cuestiones que no hemos llegado a resolver. Algunos hablan del Caos y, nada más lejos de la realidad que ninguna clase de “caos” sea nada importante en el ritmo del Universo que, de sonsentir algún Caos esporádico, es simplemente porque es necesario para su reciclaje y evolución. Todo es un ciclo, el equilibrio en la destrucción-construcción de lo viejo y gastado por lo nuevo y vigoroso. Algunos hablan de que nunca, por mucho tiempo que podamos estar aquí, llegaremos a conocer el Universo en toda su grandiosa magnitud de contenidos.

Muchos de esos contenidos están bien estudiados y, a partir de ellos, podremos pasar a los otros. Cuando obtenemos una respuesta, nos permite seguir preguntando sobre otra incognita o secreto que, ante de haber obtenido el nuevo conocimiento ni sabíamos que podría existir, y, de esa manera caminamos. Poco a poco. Todo será cuestión de ¡Tiempo!

Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que habré la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique, de una vez por todas las dos teorías más importantes de la Física: Mecánica Cuántica+Relatividad General. La respuesta, si es que la hay, parece estar en la Teoría de Supercuerdas o la más moderna versión de la Teoría M.

Recordemos que Einstein se pasó los últimos 30 años de su vida en Princeton tratando de buscar la fórmula maravillosa que uniera éstas dos grandes teorías, la R.G. y la M.C., no lo consiguió por que aún no existían las matemáticas necesarias para poder llegar a tales profundidades del conocimiento.

Y, aún hoy, tampoco existen.

emilio silvera

                                                                                           Me resulta, siempre sorprendente. ¡Qué maravilla!

Claro que, todo eso es posible, por el hecho de que, dicha imagen, me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias imágenes conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

Cuando entraron en escena David Politzer, de harvard, y Davil Gross y Frank Wilczek, de Princeton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo, se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”. Los quarks, según descubrieron los tres, tienen libertad asintótica. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres. Pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías.

donde α es el equivalente en la teoría de la constante de estructura fuina, g² / (4π) en las unidades preferidas por los físicos de partículas. Si esta función es negativa, la teoría es asintóticamente libre. Para SU(3), el grupo gauge de la carga de color de QCD, la teoría es por lo tanto asintóticamente libre si hay 16 o menos sabores de quarks. Pero sigamos…

Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica.

Aún más importante era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas y, en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (de las ingles Blue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama, adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica.Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores y, al entrar en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las tres fuerzas, a excepción de la Gravedad.

Murray Gell-Mann

MATERIA

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tau con sus correspondientes neutrinos.

Así quedó prácticamente completo el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas.La gravedad, quedó plasmada en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia era que no se hubiese visto todavía el quark top que, por fín, fue localizado en Europa en 1005. Otra la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar.

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

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¿Cuántos misterios nos estará escondiendo esta imagen del Universo profundo? Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, toas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

A todo esto y como el Bosón de Higgs está perdido, la materia oscura está perdida, el neutrino no sabemos a ciencia cierta si tiene alguna masa, el gravitón se esconde y no se ha detectado directamente, y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa. Por ejemplo, como os decía,  no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y, lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar la coherencia matemática del modelo estándar. La idea de Higgs, y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes. Parece, con tantos parámetros imprecisos (19) que, el modelo estándar se mueve bajo nuestros pies.

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “súpersimetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

Como podeis ver en las diferentes imágenes, cuando no sabemos, es nuestra imaginación la que libremente dibuja lo que su mente le dicta y, de esa manera, creamos mundos diferentes que pretenden representar lo que nuestras ideas nos dictan. Al igual que dentro de un átomo hay núcleos, y dentro de estos, hay Quarks, lo más natural es pensar que esa evolución seguirá hacia algo más pequeño sucesivamente. Si la teoría de las supercuerdas fuese cierta, existirían otras dimensiones más pequeñas que un átomo.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado!

Los físicos teóricos fueron perturbados por la existencia de cinco diferentes teorías de cuerdas. Esto aconteció bajo la denominada segunda revolución de las supercuerdasd en los años 1990 donde fueron descubiertas las 5 teorías de cuerdas, siendo diferentes casos límite de una única teoría: la Teoría M.

Teoría de Cuerdas
Tipos	Dimensiones Espaciales	Detalles
Bosonica	26	Solo bosones no fermiones, significa solo fuerzas, no materia, con cuerdas abiertas y cerradas; mayor defecto: una particula con masa imaginaria llamada taquión
I	10	Supersimetría entre fuerza y materia, con cuerdas abiertas y cerradas, libre de taquiones, grupo de simetría SO(32)
IIA	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, fermiones sin masa que giran a ambas direcciones
IIB	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones. fermiones sin masa que giran en una sola dirección
HO	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría es SO(32)
HE	10	Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría E8×E8

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa. En el Hiperespacio, todo es posible. Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intento calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

En el fondo de la Teoría de Supercuerdas, subyace, sontiente Einstein que verá como de su original trabajo, emerge éste más moderno que, por sus avanzados conceptos, aún es pronto para que puedan caer en nuestras ignorantes manos. ¿Qué haríamos con adelantos tan avanzados en nuestra actual situación en la que, en realidad, no estámos lo suficientemente evolucionados como para saber manejar ciertas cuestiones que nos hablan de cosas muy serías y de conocimientos muy profundos…demasiado para este momento.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC, el más potente del que disponemos en la actualidad y que algunos (ilusos) creían que podría traernos el fín del mundo (mejor lo dejaremos pora el 2,012 de los Mayas que -ya veréis- como pronto empezará ha formar ruido.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías.

¡Necesitamos algo más avanzado

Todo lo que observamos en la naturaleza tiene una propiedad llamada masa. Incluso el aire del ambiente tiene un peso dado por su masa. Sin embargo, a pesar de que es un concepto que manejamos a diario, los científicos todavía no se ponen de acuerdo en qué es lo que hace que los objetos tengan masa. Aquí es donde entra el Boson de Higgs.

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las otras partículas. Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo. El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs. Las partículas influidas por este campo, toman masa. Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético. Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc2, ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo. Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein. La masa, m, tiene en realidad dos partes. Una es la masa en reposo, m0, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo. La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía potencial gravitaciona en la parte más alta del recorrido. Al descender, ésta es convertida en energía cinética la que llega a ser máxima en el fondo de la trayectoria (y la energía potencial mínima). Luego, al volver a elevarse debido a la inercia del movimiento, el traspaso de energías se invierte. Si se asume una fricción insignificante, la energía total del sistema permanece constante. En los océanos de Higgs, según la toería de Ramón Márquez (nuestro compañero contertulio), cuando la partícula fricciona con esos campos de Higgs, se ve frenada y, ese contacto y frenado es, precisamente, el que le da la masa.

Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pietez Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo. El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas –Las masas de los W+, W-, y Zº, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV. Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-salam). Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa –los W+, W-, Zº y fotón que llevan la fuerza electrodébil. Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa. La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs de masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad.Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

El mecanismo de Higgs lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs, Francois Enlegert, y Robert  Brouty  (quienes trabajaban en las ideas de Philip Anderson), e independientemente po G. S. Guralnik, C.R. Hagen y T. W. B. Gible. Higgs -en un comentario añadido a una carta dirigida a la Physical Review- propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría.

La interacción débil, recordareis, fue inventada por E.Fermin para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas. ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? Como s su partícula, nos cabe esperar que la veamos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

Todo esto es apasionante, nos lleva a descubrir los misterios de la materia y fuerzass que intervienen en los mecanismos de los que el Universo se vale parta conseguir lo que se propone, y, nosotros, simples mortales, nos asombramos de lo que la Naturaleza es capaz de realizar para hacer, las cosas maravillosas que más tarde, nosotros descubrimos.

emilio silvera

Joseph John Thomson

Como decíamos hace unos días, el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico Joseph John Thomson (1.856 – 1.940). El problema de la estructura (si es que la hay) del electrón no está resuelto; nuestras máquinas no tienen la potencia suficiente para poder llegar, en el micromundo, a distancias infinitesimales de ese calibre. Si el electrón se considera como una carga puntual su auto energía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r₀ llamado el radio clásico del electrón, dado por r_o = e²/(mc²) = 2’82×10^-13 cm^, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. Este modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica. La importancia del electrón es enorme, no por pequeño se es menos importante, y, hasta tal punto es así que, sin la existencia del electrón, serí imposible que se pudieran conformar los átomos que se unen para formar las moléculas y células de la materia.

El electrón es uno de los miembros de la familia de leptones: donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. Este modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Poincaré

electrón, muón y tau

La Física de Partículas elementales estudia los componentes básicos de nuestro universo y las interacciones que gobiernan su comportamiento.

Para algunas personas, eso significa que lo estudia todo, así que sería una buena herramienta para responder a la milenaria pregunta, primero filosófica y ahora científica, sobre “de qué está hecho” y “cómo funciona” el Universo.

Según la Física actual, los ingredientes básicos de la materia; partículas elementales de dos tipos, quarks y leptones. Pero sigamos hablando de la familia de los leptones, en la que el electrón, lleva el papel principal y, no se debe confundir con el fotón que es un bosón y no tiene masa, por eso se mueve a la velocidad de la luz.

La línea amarilla muestra el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio entre la Tierra y la Luna, alrededor de 1,29 segundos.

Las tres partículas, electrón, muón y tau, son exactas, excepto en sus  masas. El muón es 200 veces más masivo que el electrón. La partícula tau es unas 35.600 veces más masiva que el electrón. Los leptones interaccionan por la fuerza electromagnética y la interacción débil. Para cada leptón hay una antipartícula equivalente de carga opuesta (el positrón es la antipartícula del leptón electrón). Los antineutrinos, como los neutrinos, se cree que no tienen carga.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan las estructuras atómicas, las reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas (probar con imanes como las fuerzas desiguales y contrarias – positiva/negativa – se atraen, mientras que cargas iguales – negativa/negativa o positiva/positiva – se repelen).

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (Ley de Coulomb) como por el intercambio de fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describen (como antes dije) con la electrodinámica cuántica. Esta fuerza tiene una partícula portadora, el fotón.

Todos oímos con frecuencia la palabra “electrónica”, pero pocos pensamos que estamos hablando de electrones en diseños de dispositivos de control, comunicación y computación, basándose en el movimiento de los electrones en circuitos que contienen semiconductores, válvulas termoiónicas, resistencias, condensadores y bobinas y en la electrónica cuántica aplicada a la óptica, se han conseguido verdaderas maravillas que han facilitado grandes avances tecnológicos de distintas aplicaciones como la investigación o la medicina y la cirugía, entre otros.

Este pequeño comentario sobre la electrónica y la fotónica que antes habéis leído, demuestra cómo el conocimiento y el dominio sobre estos dos pequeñísimos objetos, el fotón y el electrón, nos ha dado unos beneficios increíbles en la vida cotidiana y en muchos campos de la actividad humana.

Existen otras partículas aún más diminutas que, en realidad, podríamos decir que son los auténticos ladrillos de la materia, los objetos más pequeños que la conforman: los quarks.

Todo lo que vemos en el Universo está hecho de Quarks y Leptones

En la antigua Grecia, sabios como Demócrito, Empédocles, Thales de Mileto o Aristóteles, ya sospecharon de la existencia de pequeños objetos que se unían para formar materia. Demócrito de Abdera decía que todo estaba formado por pequeños objetos invisibles e indivisibles a los que llamaba a-tomo o átomos.

Pasaron muchos años de controversia sobre la existencia de los átomos y, en 1.803 (volvemos al principo de este comentario), el químico y físico británico John Dalton señaló que los compuestos físicos se combinaban para, en ciertas proporciones, formar agrupamiento de átomos para formar unidades llamadas moléculas.

En 1.905 llegó Einstein para dar una de las evidencias físicas más importante de la existencia de los átomos, al señalar que el fenómeno conocido como movimiento browniano – el movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido – podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las partículas de polvo.

Trayectoria irregular que siguen las partículas brownianas

Por aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran, después de todo, indivisibles. Hacía varios años que J. J. Thomson, de Cambridge, había demostrado la existencia de una partícula material, el electrón, que tenía una masa menor que la milésima parte de la masa del átomo más ligero. Se comprendió que estos electrones debían provenir de los átomos en sí. Y, en 1.911, el físico británico Ernest Rutherford mostró finalmente que los átomos de la materia tienen verdaderamente una estructura interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga positiva, alrededor del cual gira un cierto número de electrones.

Modelo de un átomo con su núcleo rodeado de electrones

En 1.932, un colega de Rutherford, James Chadwick, descubrió también en Cambridge que el núcleo contenía otras partículas, llamadas neutrones, que tenían casi la misma masa del protón que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón que es negativa, con lo cual, como todos los núcleos tienen el mismo número de protones que de electrones hay en el átomo, el equilibrio de éste queda así explicado: carga positiva similar a carga negativa = a estabilidad en el átomo.

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

Murray Gell – Mann

Se le otorgó el Premio Nobel de Física en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. La teoría de Gell-Mann sobre los Quarks,  aportó orden al caos reinante sobre la verdadera naturaleza del núcleo atómico. Los quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de Gluones que son los bosones intermediarios de la fuerza nuclear fuerte.

Como podeis comprobar, la materia y sus componentes tiene tanta complejidad que, después de más de 2.500 años cuando Demócrito postuló la existencia del átomo como la cantidad más pequeña de la que está hecha la materia, aún no hemos podido saber, a ciencia cierta lo que la materia es, y se sospecha que más allá de los Quarks, podrían existir otros objetos aún más elementales que serían los verdaderos ladrillos de la materia.

Bueno, seguiremos buscando.

emilio silvera

Simplemente con echar una mirada al siglo XIX, nos podemos percatar de que, ese período fue apasionante para la Ciencia y la Tecnología que comenzaron a cambiar de manera acelerada produciendo importantes cambios en nuestra Sociedad, sus usos y sus costumbres.

No es extraño encontrar textos de la época en los que, aquella sucesión imparable de inventos y de muchos descubrimientos, marcarían el desarrollo de una nueva Humanidad.

Faraday y J. C. Maxwell.

Las lecturas de la época dejan a veces traslucir sentimientos de asombro, admiración, desconcierto y, a veces, hasta un poco de temor de todos aquellos avances que parecían sacados de una novela de ciencia ficción.

Sí, queremos mostrar episodios referidos a grandes descubrimientos que, por estas razones, llaman la atención. Claro que, si nos trasladamos mentalmente a aquellos momentos y aquella época, podremos comprender mejor, todas aquellas reacciones entonces desencadenadas que ahora, vistas en perspectiva, son lo que sería de esperar y de una total normalidad.

Aquellos episodios fueron recogidos en lecturas y manuales de Física del siglo XIX, y, lo mismo que fueron saliendo a la luz (sin orden ni concierto), serán aquí comentados. Lo cierto es que, todo aquello nos trajo consecuencias históricas, sociales y educativas.

En general, el siglo XIX es el de la consolidación de la Física como disciplina autónoma. Se manifiesta en ella un afán por establecer un campo de estudio propio, separándose por un lado de la Química, y por el otro de las matemáticas, a la que ha pertenecido hasta entonces como una rama de la misma: las matemáticas mixtas(óptica, estática, astronomía.

En ese momento la Física comienza a adquirir importancia entre las distintas ramas del saber. Dos factores contribuyen a ello. El primero, la incorporación de nuevos conocimientos que amplían espectacularmente el horizonte de la disciplina. El segundo, el fundamental: el cambio de orientación con relación al espíritu especulativo que estuvo presente hasta bien avanzado el siglo anterior.

De este modo, la Física asume un nuevo enfoque más experimental, al tiempo que dará paso a una utilización creciente de las matemáticas.

Drespretz, en el prólogo de su Física Experimental (1839): “La Física, en el estado á que ha llegado en la actualidad, no tiene de común más que el nombre con la Física llamada escolástica, que los preceptos de Bacón y los ejemplos de Galileo han contribuido felizmente á desterrar de la enseñanza pública.”
La Física de orientación escolástica todavía perdura, especialmente en nuestro país, a principios del siglo XIX. Para marcar las diferencias, se insiste en que la nueva Física es Física Experimental que se contempla como “ciencia útil” y capaz de incidir con sus aplicaciones en la vida de las personas y en las Sociedades en general.

Aquellos tiempos eran de carruajes que comenzaron a correr sin caballos, máquinas de vapor que “aprovecha la potencia motriz del fuego” que surgieron en Inglaterra del siglo XVIII para sustituir a los animales en el bombeo del agua, cuando ésta inundaba las minas de carbón. La máquina “atmosférica” de Newcomen fue la primera, seguida por la de Watt que mejoró el diseño con un condensador para el vapor, haciéndola mucho más eficiente.

En 1827, el ingeniero francés Marc Seguir inventó la caldera tubular, que obtenía mayor provecho de la fuerza generada por el vapor. Stephenson aplicó este sistema a la locomotora The Rocket, que era capaz de transportar 12.942 kilos a 24 km por hora con una pendiente del 2%.

Éste sería el prototipo y modelo de las posteriores locomotoras a vapor de todo el mundo, incluidas las de la línea Barcelona-Mataró.

Ninguno de aquellos avances se llevó a cabo con respaldo teórico hasta que aparecen los estudios de Carnot en 1824. En ese momento nace la termodinámica y a partir de ahí el progreso se dispara.

La Máquina de vapor tiene lugar preferente en los manuales de Física de la época y se describen de manera minuciosa todos y cada uno de los elementos que intervienen en su funcionamiento. Faltaba sin embargo, la fundamentación teórica, la cual tardaría varias décadas en ser incorporada.

A lo más, los dos únicos principios explicativos que aparecen son la “fuerza elástica del vapor” y “la caída de presión cuando el vapor se condensa”. Claro que, la máquina de vapor adoptó nuevos y más modernos diseños y, de estar fijas en sus lugares de trabajo, pasaron a poder desplazarse con la gran ventaja que ello suponía, y, hasta tal punto fue así que, aquella idea del desplazamiento, dio lugar a la llegada del Ferrocarril por una parte y de la Navegación fluvial a vapor por otra, con lo cual, aquello nos llevó en volandas hacia el futuro. Un futuro hasta hacía poco impensable.

“[…] máquinas admirables que lo mismo producen su efecto en puntos fijos, como marchando con una prodigiosa velocidad, ya sobre las barras de hierro, borrando las distancias, ó ya surcando los mares sobre unas tablas, y haciendo vecinos los dos mundos que estos mares separan. (Rodríguez, 1858, p. 320, en su manual de Física general y aplicada a la agricultura y a la industria. Madrid, Imprenta Aguado (1858).”

Resulta muy curioso en la forma que eran presentados estos nuevos inventos y las referencias que utilizaban para ello al tratar de transmitir al lector novedades de tal magnitud:

“Igualmente se las ha aplicado á los carruajes que se hacen marchar sin caballerías para transportar cargamentos muy considerables, ó mejor para arrastrar tras de sí un número mayor o menor de carruajes ordinarios cargados de todas las mercancías, ó de otra clase de objetos. (Beudant, 1841, p. 283. Tratado Elemental de Física (3ª Edic.) Madrid, Imprenta de Arias (1841).”

Como vemos, lo nuevo era descrito en base a lo ancestral. Se percibe que comienza a producirse cambios de incalculables consecuencias, que hará que el mundo, deje de ser lo que era.
Tras haber pasado desapercibida durante siglos, la electricidad comienza un desarrollo fulgurante en el siglo XVIII. En ese período se establecen las leyes básicas y surgen las primeras teorías explicativas de los fenómenos conocidos. Coulomb cierra el siglo estableciendo la primera ley cuantitativa e introduciendo la electricidad en el marco de la ciencia newtoniana.

La bateria eléctrica de Volta.

Volta apiló discos de igual tamaño de cobre y de cinc, sólo o con estaño, alternados, que llevan intercalados entre cada uno de ellos un paño humedecido. Esta “pila de discos” empieza y termina con discos de diferente tipo. Conectando con un alambre los discos situados en los extremos logró que fluyera un flujo eléctrico. Impregnando el paño en determinadas sales la corriente obtenida era mucho mayor.

Así, en el siglo XIX se abre con una aportación de gran trascendencia: la pila de Volta, cuyos efectos “son tan extraordinarios que sin exageración se puede decir que es el instrumento más maravilloso que ha creado la inteligencia humana” (González Chávarri, 1848). La pila amplia el campo de la electricidad incorporando todos los fenómenos relacionados con la entonces llamada “electricidad galvánica”. Poco más tarde, gracias a los trabajos de Oersted y Faraday, aparece otro dominio de inmensas posibilidades: el electromagnetismo. El descubrimiento de la conexión entre corriente eléctrica e imanes va a ser seguida de la puesta a punto de aparatos y máquinas que serán el soporte de la electricidad industrial y marcarán el tránsito hacia la Sociedad contemporánea.

La Electricidad acuña fama de ser un agente físico poderoso y, al mismo tiempo, sorprendente, vistos los fenómenos y efectos que suele protagonizar. Se presenta como capaz de hacer posible todo lo imaginable e inimaginable. Tanto es así que por ejemplo, es capaz de producir luz ¡sin utilizar fuego! Así, los manuales describen la experiencia realizada por Davy en 1801, que mediante una pila de gran número de elementos hace saltar un arco de luz cegadora (arco voltaico) entre dos barras próximas de carbón.

Liebherr, en el emplazamiento británico de Sunderland, se decidió por el moderno procedimiento por arco voltaico pulsado, por lo que utiliza sistemas digitales del tipo TransPuls Synergic 5000 de Fronius.

La luz a diferencia de las chispas se mantenían durante un cierto tiempo, pero las barras se iban consumiendo y llegaba un momento en que cesaba el fenómeno. Con base a esta experiencia se construyeron aparatos destinados a la iluminación, provistos de un complicado sistema que mantenía las distancias de las barras. El arco estaba protegido de las corrientes de aire por un tubo de vidrio.

Otro inconveniente era la duración muy limitada de pilas y baterías, pero a partir de los años 1860 comenzaron a estar operativas las dinamos y este problema quedó solucionado.

Poco más tarde, hacia 1880 y gracias a los esfuerzos de Edison y Swam, surgió y se impulsó la bombilla de incandescencia, dispositivo durable y de bajo coste de producir luz mediante la corriente.

Ha sido el sistema que hemos conocido hasta nuestros días.

Podríamos seguir hasta llegar a lo que hoy es la Fisica, sin embargo, ni el sitio es tan extenso ni el tiempo lo permite.

¿Y los neutrinos?

Los neutrinos se forman en ciertas reacciones nucleares y ningún físico atómico ha sido hasta ahora capaz de medir su masa. Es probable que los neutrinos, como los fotones, tengan una masa en reposo nula, aunque en realidad el neutrino nunca podrá estar en reposo y, como el fotón, siempre se está moviendo a 299.792’458 Km/s y adquieren esa velocidad desde el instante en que se forma. En algunas teorías de gran unificación se predice que el neutrino tiene masa no nula. Pero no hay evidencia concluyente para tal suposición.

Histórica foto tomada en noviembre de 1970 de la cámara donde se hizo la primera observación de un neutrino. Foto: Wikipedia

Pero los neutrinos no son fotones, porque ambos tienen propiedades muy distintas. Los fotones interaccionan fácilmente con las partículas de materia y son retardados y absorbidos al pasar por la materia. Los neutrinos, por el contrario, apenas interaccionan con las partículas de materia y pueden atravesar un espesor de años luz de plomo sin verse afectados.

En menos de un siglo, el neutrino pasó de una partícula fantasma – propuesta en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) a explicar el balance de energía en una forma de radioactividad,el llamado decaimiento beta, en una sonda capaz de escrutar el interior de estrellas y de la propia Tierra.

Parece claro, por tanto, que si los neutrinos tienen una masa en reposo nula, no son materia. Por otro lado, hace falta energía para formarlos, y al alejarse se llevan algo de ella consigo, de modo que son una forma de energía.

Sin embargo, atraviesan cualquier espesor de materia sin interaccionar apenas, de modo que prácticamente no efectúan trabajo. Lo cual les distingue de cualquier otra forma de energía. En su momento se habló de que los neutrinos podían ser la energía oscura que tanto fascina a todos los físicos, astrofísicos y astrónomos, sin embargo, al no haber detectado la masa de los neutrinos, se desechó la idea.

El neutrino es de la familia de los leptones y existe en tres formas. Una asociada al electrón y se conoce como neutrino electrónico (V_e), otra al muón y es el neutrino múonico (V_µ) y por último el que está asociado con la partícula tau, que es el neutrino tauónico (V_t). Cada forma tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la energía “perdida” en la desintegración beta. Fue identificado de forma tentativa en 1.953, y definitivamente en 1.956, dando la razón a Wolfgang Pauli que presintió su existencia.

El detector de neutrinos Super-Kamiokande

Este observatorio está situado a un kilómetro de profundidad, en una mina abandonada (la de Mozumi) cerca de la ciudad de Hida, en Gizu, Japón. Los detectores de neutrinos se suelen situar a gran profundidad para evitar detectar otras partículas. Pero claro, no es posible detectar los neutrinos directamente, de ahí la construcción de sistemas tan sofisticados como éste para descubrir trazas de su paso.

El Super-Kamiokande es absolutamente impresionante: es un depósito de agua que contiene 50.000 toneladas de agua. Los neutrinos que provienen del Sol (y, si has leído el artículo de estas partículas, sabes que nos atraviesa una cantidad ingente cada segundo) penetran en la Tierra y llegan al depósito. Casi todos ellos lo atraviesan sin siquiera notar que está ahí pero, de vez en cuando, alguno (por pura suerte) choca con un electrón del agua o con un núcleo atómico, y lo lanza despedido.

Los neutrinos no tienen carga y como dijimos antes, tampoco tienen masa; son pura energía que viaja siempre por el espacio a la velocidad de la luz. En algunas teorías de gran unificación se predice que los neutrinos tienen masa no nula, pero no hay evidencia concluyente para eso.

Cuando Pauli propuso su existencia para justificar la energía perdida en la desintegración beta, Enrico Fermi lo bautizó con el nombre de neutrino.La ley de conservación de la energía prohíbe que ésta se pierda, y en la desintegración beta, que es un tipo de interacción débil en la que un núcleo atómico inestable se transforma en un núcleo de la misma masa atómica pero de distinto número atómico, hace que en el proceso un neutrón se convierta en un protón con la emisión de un electrón, o de un protón en un neutrón con la emisión de un positrón. Pero la cuenta no salía, allí faltaba algo, no se completaba en la transformación la energía original, así que Pauli añadió en la primera un antineutrino electrónico y la segunda la completó con un neutrino electrónico, de la manera siguiente:

Neutrón desintegrado: n → p + e^- + v_e

Protón desintegrado: p → n + e⁺ + v_e

Un ejemplo de esto es la desintegración del carbono-14.

Así fue como se dio a conocer al mundo la existencia de neutrinos.

El mencionar la desintegración me ha traído a la memoria otros materiales que también se desintegran de manera natural y que son materiales fértiles, o que sin serlo, se pueden transformar en otros que sí lo son.

Al hablar de material fértil me estoy refiriendo a núclidos que pueden absorber neutrones para formar material fisible. El uranio-238, por ejemplo, absorbe un neutrón para formar uranio-239, que se desintegra en plutonio-239. Este es el tipo de conversión que la imaginación del hombre hace que ocurra en un reactor reproductor.

Lo explicaré con más detalles:

Siempre pensando en descubrir los secretos de la Naturaleza, sin embargo, no siempre se acierta.

El uranio-235 es un combustible práctico, es decir, los neutrones lentos son capaces de hacer que el uranio-235 se fisione, o lo que es lo mismo, se rompan sus átomos en dos, produciendo neutrones lentos, que a su vez inducen otras fisiones atómicas. El uranio-233 y el plutonio-239 son también combustibles nucleares prácticos por las mismas razones.

Desgraciadamente, el uranio-233 y el plutonio-239 no existen en estado natural sino en trazas mínimas, y el uranio-235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, sólo siete de cada mil átomos son de uranio-235, el resto es uranio-238.

El uranio-238, la variedad común de uranio, no es un combustible nuclear práctico. Así que, el uranio que más abunda en la naturaleza no sirve como combustible nuclear. Podemos conseguir que se fisione, pero sólo con neutrones rápidos. Los átomos de uranio-238 que se rompen en dos, producen neutrones lentos, que no bastan para producir o inducir nuevas fisiones.El uranio-238 cabría compararlo a la madera húmeda: es posible hacer que arda, pero acabará por apagarse.

Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio-235 del uranio-238 (trabajo más bien difícil) y que se utiliza aquel para hacer funcionar un reactor nuclear. Los átomos de uranio-235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen miríadas de neutrones lentos en todas direcciones. Si el reactor está rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor parte es uranio-238), los neutrones que van a parar allí son absorbidos por el uranio-238 y, aunque no pueden hacer que el uranio-238 se fisione, sí pueden provocar otros cambios que finalmente, producirán plutonio-239. Separando este plutonio-239 del uranio (tarea muy fácil), puede ser utilizado como combustible nuclear practico para la fisión.

De esta manera, el reactor nuclear genera nuevo combustible a partir de un material (uranio-238) que no lo es. Este es el motivo de que al reactor nuclear que hace posible la transformación se le llame “reactor generador”.

Un reactor generador bien diseñado puede producir más plutonio-239 que el uranio-234 consumido para ello. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no sólo las de uranio-235) se convierten en potenciales de combustible nuclear.

El torio, tal como se da en la naturaleza, consiste todo él en torio-232, que al igual que el uranio-238, no es un combustible nuclear práctico, porque requiere neutrones rápidos para fisionarse. Pero si se coloca torio-232 alrededor de un reactor nuclear, sus átomos absorberán los neutrones y, sin experimentar fisión alguna, se convertirán en átomos de uranio-233. Como el uranio-233 es un combustible práctico que se puede separar fácilmente del torio, el resultado es otra variedad del reactor generador, que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear en potencia.

La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio-235, lo que significa que el buen uso de los reactores generadores podría multiplicar por 800 la oferta potencia de energía extraída de plantas de fisión nuclear.

En este punto, sin dejar de elogiar la inteligencia del hombre que ha sabido encontrar la manera de transformar una materia inservible en otra practica, hay que decir que la energía de fisión nuclear genera también muchos problemas, y, tenemos que buscar nuevas formas de energías menos contaminantes.

La experimentación y la utilización de la bomba atómica y luego de municiones y de blindajes de uranio empobrecido, contaminaron los lugares donde se realizaron los experimentos y los sitios donde se desarrollaron las operaciones bélicas. Nuevas enfermedades afectaron tanto a los soldados de la alianza atlántica como a sus enemigos, así como a la población civil.

Sin embargo, lo que para uno es nosivo, para otros puede suponer la vida. Arriba teneis imágenes de una bacteria que utiliza el uranio para conseguir energía del mismo modo que los humanos utilizamos el oxígeno. La vida se abre paso de mil maneras distintas.

Claro que, para racionalizar el uso de lo que existe en el universo, habrá que saber, que conocer, y, de esa manera, podremos emplear de la manera más adecuada y conveniente “para todos” esos materiales que nuestra inconsciencia nos lleva a utilizar de la manera menos conveniente.

Sí, como decía Hilbert: “Tenemos que saber, sabremos.”

emilio silvera

La velocidad de la luz recorre la distancia de la Tierra a la Luna en poco más de un segundo

Sin embargo, casi todo en el laboratorio de un físico se mide con regla y relojes. Esto significa que los físicos tendrán que recalibrar todas las magnitudes del laboratorio que una vez dieron por hecho que eran constantes.

En concreto, la energía es una cantidad que depende de cómo midamos las distancias y los intervalos de tiempo.  Un automóvil de prueba que choca a gran velocidad contra una pared de ladrillos tiene obviamente energía.  No obstante, si el veloz automóvil se aproxima a la velocidad de la luz, sus propiedades se distorsionan.  Se contrae como un acordeón y los relojes en su interior se frenan.

Lo que es más importante, Einstein descubrió que la masa del automóvil también aumenta cuando reacelera. Pero  ¿de dónde procede este exceso de masa?  Y él concluyó que procedía de la energía. La masa relativista es la masa de un cuerpo medida por un observador con respecto al cual ese cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein,  esta masa está dada por:

donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista sólo difiere de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Si V=c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

 De hecho, cuando una partícula se acerca a la velocidad de c, su masa … ¡aumenta!

 Esto tuvo consecuencias perturbadoras.  Dos de los grandes descubrimientos de la física del siglo XIX fueron la conservación de la masa y la conservación de la energía; es decir, la masa total y la energía total de un sistema cerrado, tomadas por separado, no cambian.

Sin embargo, Einstein decía que cuando un cuerpo material se acerca a la velcoidad de la luz, su masa aumenta y, si puediera llegar  a la velocidad de c, se haría infinita. Por eso precisamente, nada, en el Universo, puede ir más rápido que la luz. Esa es la frontera que impone el Universo para la velocidad. Nació un nuevo principio de conservación que decía que la suma total de la masa y la energía debe siempre permanecer constante.  La materia no desaparece repentinamente, ni la energía brota de la nada.  En este sentido, la materia desaparece sólo para liberar enormes cantidades de energía o viceversa.

  ¿Sabremos alguna vez qué energía es la que sale del “vacío”?

Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc².  Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c²) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía.  Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química.  La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.

La materia del Universo…¿donde está?

Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza.  Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.

¿Que pensaba Einstein del puente Einstein-Rosen?

El puente de Einstein-Rosen conecta universos diferentes. Einstein creía que cualquier cohete que entrara en el puente sería aplastado, haciendo así imposible la comunicación entre estos dos universos. Sin embargo, cálculos más recientes muestran que el viaje a través del puente, aunque podría ser muy difícil, no sería imposible; existen ciertas posibilidades de que algún día se pudiera realizar

Posteriormente, los puentes de Einstein-Rosen se encontraron pronto en otras soluciones de las ecuaciones gravitatorias, tales como la solución de Reisner-Nordstrom que describe un agujero eléctricamente cargado. Sin embargo, el puente de Einstein-Rosen siguió siendo una nota a pie de página curiosa pero olvidada en el saber de la realtividad.

Roy Patrick Kerr (16-05-1934- ) es un matemático neozelandés, famoso por haber encontrado en 1963 una solución exacta de la ecuación de campo de la relatividad general, aplicada a un agujero negro en rotación.

Las cosas comenzaron a cambiar con la solución que el trabajo matemático presentado por el neozelandés Roy Kerr, presentado en 1.963, encontró otra solución exacta de las ecuaciones de Einstein. Kerr supuso que cualquier estrella colapsante estaría en rotación. Así pues, la solución estacionaria de Schwarzschild para un Agujero Negro no era la solución físicamente más relevante de las ecuaciones de Einstein.

La solución de Kerr causó sensación en el campo de la relatividad cuando fue propuesta. El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar llegó a decir:

“La  experiencia que ha dejado más huella en mi vida científica, de más de cuarenta años, fue cuando comprendí que una solución exacta de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, descubierta por el matemático Roy Kerr, proporciona la representación absolutamente exacta de innumerables agujeros negros masivos que pueblan el universo. Este estremecimiento ante lo bello, este hecho increíble de que un descubrimiento motivado por una búsqueda de la belleza en matemáticas encontrará su réplica exacta en la naturaleza, es lo que me lleva a decir que la belleza es aquello a lo que lleva la mente humana en su nivel más profundo“.

n según la información que el agujero negro retenga de los entes cósmicos que generaron su origen o de las propiedades de su anterior vida como masiva estrella.

La solución de Kerr de un agujeros negros giratorio permite que una nave espacial pase a través del centro del agujero por el eje de rotación y sobrevivir al viaje a pesar de los enormes pero finitos campos gravitorios en el centro, y seguir derecha hacia el otro universo especular sin ser destruida por la curvatura infinita.

Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra.  El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX.  Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.

Ernest Mach

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda etapa que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.

Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor.  Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein que,  esencialmente afirma:

La ecuación anterior expresa que el contenido material determina la curvatura del espacio-tiempo.

Materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo.

Esa ecuación de arriba de la imagen, engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el big bang, y seguramente el propio destino del Universo.

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 si 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.

Mediante el Tensor métrico de Rieman, Einstein pudo formular su famosa teoría de la relatividad General, sonde el espacio y el tiempo se distorsionan en presencia de grandes masas. El tensor métrico de Riemann le permitió erigir un potente aparato para describir espacios de cualquier dimensión con curvatura arbitraría. Para su sorpresa, encontró que todos estos espacios están bien definidos y son autoconsistentes. Previamente, se pensaba que aparecerían terribles contradicciones al investigar el mundo prohibido de dimensiones más altas. Riemann no encontró ninguna. De hecho, resultaba casi trivial extender su trabajo a un espacio N-dimensional. El tensor métrico se parecía ahora a un tablero de ajedrez de N x N casillas

El tensor de Riemann contiene toda la información necesaria para poder describir un espacio curvo en N-dimensiones. Se necesita dieciséis números para describir el tensor métrico en un espacio tetradimensional. Estos números pueden disponerse en una matriz cuadrada (seis de dichos números son realmente redundantes; de modo que el tensor métrico tiene diez números independientes).

“¡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 como sería?” Así se expresó Steven Weinberg que comprendia la complejidad de la empresa. Él, se refería a las modernas versiones de la teoría de cuerdas.

¿Es la belleza un principio Físico?

Cuando hablamos de las teorías de supercuerdas (todas las versiones), lo hacemos sobre otro universo…En este, de momento, las cuerdas no aparecen y, por lo que parece, durante bastante tiempo no aparecerán.Es una teoría, como nos dice Witten, adelantada a su tiempo y, no disponemos ni de la energía necesaria para poder llegar a ellas (si es que finalmente existen) ni tampoco, las matemáticas actuales son lo suficientemente potentes para poder explicarlas en toda su grandeza.

Un universo de cuerdas que vibran en el espacio-tiempo para producirm partículas…¡Todo podríam ser!

La teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del Universo, sin embargo, el problema fundamental radica en que una comprobación de dicha teoría, está más allá de nuestras posibilidades actuales.  De hecho, la misma teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, o 10¹⁹ miles de millones de electronvoltios (eV), que como sabéis, es alrededor de mil billones de veces mayor que las energías actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

Ni el LHC con toda su moderna tecnología, podría encontrar las cuerdas

Ya he comentado otras veces que el físico David Gross (el de más edad de los miembros conocidos como el “cuarteto de cuerdas” y autores de la teoría llamada la cuerda heterótica) dijo en una ocasión: “El coste de generar esta fantástica energía, necesitaría el dinero de las tesorerías de todos los países del mundo juntos, y quizá, no llegara.  Es verdaderamente astronómico.”

Siendo así, de momento estamos condenados a no poder verificar experimentalmente este motor (parado) que haría marchar el vehículo de la Física.  La teoría decadimensional está paralizada en dos sentidos: el económico y el técnico – matemático.  El primero por falta de dinero que  nos pudiera construir aceleradores tan potentes como para descubrir la partícula de Higgs, los quarks e incluso las cuerdas vibrantes, esos previsibles y minúsculos objetos primordiales que conforman la materia.  En segundo lugar, las formulaciones matemáticas complejas que, según parece, aún no se han inventado.  Parece que hoy, ni siquiera Witten o Perelman, conocen el secreto de los números mágicos que nos puedan llevar hasta el final del camino iniciado con Einstein y Kaluza-Klein.

Particularmente opino que la teoría de cuerdas nos dará muchas alegrías y que en ella están las respuestas a muchas preguntas que no sabemos contestar. Incluso estaría por apostar alguna cosa (un café), sobre la posibilidad de que, aunque con mucho menos energía de la necesaria para hallar las cuerdas, en el LHC podrían aparecer…las sombras de las mismas.

No, de estas cuerdas no hablamos

Dentro del mundo de la Física, los hay de todas las opiniones: en contra y a favor.  Es famosa la postura detractora del Nóbel Sheldoy Glasgow de Harvard, no quiere ni oír hablar de la teoría de supercuerdas a la que califica de física de Teatro.

Otros muchos, la mayoría, como Murray Gell-Marn, Steven Weinberg (ambos Premios Nóbel) o el mismo.  E. Witten (Medalla Field), opinan lo contrario y ven en esta teoría de dimensiones más altas el futuro de la Física.

Ya sabemos que en física toda teoría debe ser verificada, una y otra vez, en uno y en otro lugar, experimentalmente, obteniendo siempre el mismo resultado, es la única manera de que sea aceptada por la comunidad científica, mientras tanto, la teoría no es fiable y queda a la espera de ser comprobada, verificada sin ningún lugar para la duda.

Pero, ¿Se puede recrear la creación?

Eso es, precisamente, lo que tratan de hacer aquí, recrear los primeros instantes del Universo

La teoría de supercuerdas trata de eso.  Quiere explicarnos todos los misterios del Universo a partir de ese primer momento, ¡la creación!

¿Cuántas y cuántas páginas no habré leído y escrito sobre estos temas fascinantes de los secretos del Universo, las fuerzas que lo rigen, la materia de las Galaxias y de los objetos que lo pueblan?

No podría decirlo.  Sin embargo, hay una cosa que sí puede decir: ¡Cuánto más profundizo en estas cuestiones, cuánto más conocimientos adquiero, más fascinación siento y desde luego, mi capacidad de asombro, más crece! Qué verdad dijo aquel sabio: “Siempre seremos aprendices” ¿Porque, quién puede saberlo todo? Es raro el día que nos acostamos sin haber aprendido algo nuevo.

La degradación de los cables superconductores en el corazón de la máquina de fusión ITERamenaza con provocar mayores retrasos. El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Son muchos los proyectos que tienen vía libre y otros han sido desechados por su alto costo.

¡Qué lastima que no se construyera el súper colisionador superconductor! (SSC), que encontrara los vestigios subatómicos que mostrara una señal característica de la supercuerda, tal como la súpersimetría.  Aunque ni con este monstruoso SSC se hubiera podido sondear la distante energía de Planck, si podría habernos ofrecido una evidencia muy fuerte (aunque indirecta) de la corrección de la teoría de supercuerdas.

Este súper colisionador que se hubiese completado en las afueras de Dallas, Texas, hubiera contado con un tubo gigantesco de 85 km. De circunferencia rodeado de enormes bobinas magnéticas.  Lanzaría protones a velocidades muy cercanas a la de la luz que, viajarían en el sentido de las aguas del reloj y el sentido contrario, para en un momento dado, hacerlos colisionar a una energía de 40 billones de electronvoltios (TeV), generando una intensa ráfaga de residuos subatómicos analizados por detectores que, en contrarían partículas exóticas que hubieran arrojado luz sobre la forma esencial de la materia.  Los campos magnéticos para guiar los protones y los antiprotones dentro del tubo son tan excepcionalmente grandes (del orden de 100.000 veces el campo magnético de la Tierra) que, hubieran sido necesarios procedimientos extraordinarios para generarlos y mantenerlos.

Además del enfriamiento de las bobinas hasta casi el cero absoluto (-273°) y otros problemas que hubieran obligado a enormes avances tecnológicos.  Sin embargo, la política, se cargó el proyecto y nos quedamos sin la esperada partícula de Higgs que es la que genera la ruptura de simetría y es por tanto el origen de la masa de los quarks, así que, habríamos podido descubrir el origen de la masa. Sin embargo, no podemos perder la esperanza, el LHC está en marcha y pronto, nos dará muchas alegrías.

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Me viene a la memoria que en el siglo XIX, algunos científicos declararon que la composición de las estrellas estaría siempre fuera del alcance del experimento.  En 1.825, el filósofo y crítico social francés Auguste Comte, al escribir el Curso de Filosofía, declaraba que nunca conoceríamos las estrellas de otra forma que como inalcanzables puntos de luz en el cielo debido a su enorme distancia de nosotros.  Las máquinas del siglo XIX, o de cualquier siglo, argumentaba, no eran suficientemente potentes para escapar de la Tierra y alcanzar las estrellas.

Así que parecía que el determinar la composición de las estrellas era imposible, y, lo curioso es que, casi al mismo tiempo, el físico alemán Joseph Von Fraunhofer estuviera haciendo precisamente eso.  Utilizando un prisma y un espectroscópio, pudo descomponer la luz blanca emitida desde las estrellas lejanas y determinar la composición química de dichas estrellas.

De la misma manera, pudiera, en este mismo instante, estar trabajando un físico-matemático en profundizar en la teoría de supercuerdas y estar formulando otro respetable avance hacia nuestro futuro.

¿Qué sería de nosotros sin la Física?

emilio silvera

Lo cierto es que, sobre la Teoría de Supergrav3edad, Supersimetría, de Cuerdas y Supercuerdas, la Cuerda Heterótica y la Teoría M, sin olvidar aquella pionera Teoría de Kaluza-Kleim, se vienen desarrollando un sin fin de “teorías” que podrían ser excesivas si tenemos en cuenta la verdadera validez de algunas. Toda esta proliferación de “teorías” nos puede llevar a una especie de crisis de ideas que nos llevarían a una física degradada, sin sentido, que más que una Teoría del Todo se podría denominar Teoría del Vacío, de la Nada, ya que nada podríamos esperar de ella. Así que, lo recomendable es, dar aquellos pasos que estén fiermemente asentados en realidades o aquellos otros que, sin estarlo (aun), puedan tener auténticos visos de que son (al menos) la sombra de esa realidad soñada y que son merecedores de ser perseguidos. De otra manera, perderemos el rumbo.

El artículo que publica Ciencia Kanija,  comenzaba con una pregunta: ¿Existe una teoría del todo?

El autor reconoce que la Física, en realidad son dos ciencias divididas entre la Cúantica y la Gravedad. Sigue desarrollando su tesis para hablarnos de que, ambas ramas de la física han sido objeto de múltiples intentos que han llevado a cabo una pléyade de físicos de todo el mundo para tratar de unir, ambas versiones, Gravedad y Cuántica, en una sólo Teoría del Todo.

A partir de ahí, el autor, desarrolla una serie de hipótesis y recordatorios de autores que han ido postulando esta o aquella teoría, y, se aferra al LHC para que nos lleve en volandas hacia ese futuro solado en el que, una única y gran teoría (la Teoría del Todo) nos dará la respuesta a todo aquello que quereamos preguntarle.

Nuestro contertulio Tom Wood (), al respecto de todo esto, hizo un comentario que, por su destacado valor al realizarlo y el profundo pensamiento que lleva implícito, me parece digno de ser reproducido aquí, para que, todos nosotros – los amigos de este lugar-, podamos ver que no es oro todo lo que reluce y que, algunas veces hay que ceñirse a la realidad y dejar a un lado los sueños que, por muy bonitos que puedan ser, podrían confundir al lector no versado que tendría una imagen equivocada de esa realidad que no siempre sabemos transmitir.

“Tom Wooddice:

Por lo demás el articulo es mas de lo mismo, puro marketing. Están asustados porque los mitos y los embrujos se están derribando. Además, con la crisis los recursos ya no les fluyen como antes a los cuerditas anglosajones.”

Alguien, en respuesta a sus palabras le responde…

“el fleadice:

04/01/2012 a las 4:30 pm

Puedes explicar que mitos y embrujos Tom Woods?”

Tom Wooddice:

05/01/2012 a las 1:23 pm

Rapidito: 10E-33cm, es una longitud inalcanzable para la física, por unos cuantos siglos. Toma una regla escolar, mira la distancia entre dos milímetros (1mm), he imagina que comienzas a dividirla en 10 partes, después en 100, después en 1 000 y así hasta llegar a dividir ese 1mm por 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Por ahí tendrías una “cuerda”, después agrégale energía, modos de vibración, y cualquier cosa con lógica física que se te ocurra. Como medir uno solo de esos parámetros, ningún ser humano sobre la faz de la tierra puede saberlo.

     Como nos dice Tom, hay parámetros no medibles por el hombre que, no dispone de los medios que, de momoento al menos, son inalcanzables y, las cuerdas, si están ahí, son uno de esos inalcanzables objetos que tantas respuestas nos podrían ofrecer.

http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cuerdas

Los neutrinos que los “tocamos” todos los días, posiblemente acabemos este siglo y no los habremos caracterizados físicamente, no sabremos que son. Ni siquiera se sabe como medir su masa en reposo, lo que en una buena física implica, que tiene la misma certidumbre decir que son partículas, electromagnéticos o alguna nueva forma de materia.

Los electrones (descubiertos en 1897, unos 10E+130 en el universo observable), los leptones, sabemos que tienen adentro, NO. Algo que manipulamos diariamente, todos los equipos que nos rodean trabajan con corriente eléctrica, corrientes de electrones. ¡Pero no que no sabemos que tienen adentro!, sino que no hay sobre la faz de la tierra un humano que se imagine o tenga un esquema burdo de lo que tienen adentro un leptón (mi campo de estudio). Pero el radio clásico del electrón es “conocido” (2,8x10E-17cm) y su longitud de onda Compton (2,4x10E-14cm, otra posible medida de su radio) también. Pero el asunto es más complejo cuando lo vemos como ondas o como partículas, pero dejémoslo ahí, para no entrar en contiendas o discusiones estériles. http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93rdenes_de_magnitud_(longitud)

Los protones, los quarks, que los “tocamos” todos los días, sabemos que son, podemos medir sus propiedades. Supongamos que ellos están confinados por debajo de una esfera de 10E-17cm de radio, pero no podemos medir directamente lo poco que conocemos de ellos, casi todo son simulaciones físico-matemáticas hechas en superordenadores. Así, que las cosas no son tan fáciles para los físicos como pudiera decirse.

Las simulaciones por ordenador son no pocas veces el único camino que encuentran los físicos para poder acercarse a lo que podría ser “esa” realidad buscada de objetos infinitesimales que, no siempre podemos ver y, la solcuión, es simular con modelos que, más o menos certeros nos llevarán (con suerte)m a esa realidad buscada.

http://francisthemulenews.wordpress.com/2010/07/08/la-medida-mas-precisa-del-radio-de-un-proton-en-un-hidrogeno-muonico-arroja-un-valor-un-5-mas-pequeno-de-lo-obtenido-con-hidrogeno-electronico/

Entonces cuando comienzas ha hacer mediciones de algo a través de mediciones indirectas, que a la vez son mediciones de otras indirecta, entonces la certidumbre de que lo que mides es cierto; es casi cero. Entonces tienes que suponer teorías físico-matemáticas, que al menos predigan la existencia de algo mas medible y ese algo mas medible (supongamos una nueva partícula) se encuentre; eso te da cierta certidumbre de que lo que supones podría ser cierto y si esto se repite, aumentas la certidumbre de tu suposición (teoría). El asunto es que en la medida que mides cosas más chiquitas, puedes medir menos parámetros físicos de lo que mides. Y en los niveles que estamos, ya casi nada de lo que se mide, tiene ni siquiera un parámetro medible directamente, así que nadie puede decir que va a pasar cuando sigamos profundizando. Ni siquiera puede decir nadie, si los métodos actuales servirán para seguir profundizando, porque al nivel que se esta, el instrumento de medición ya es un ruido insoportables en las mediciones. De ahí los análisis estadísticos de “millones de millones de millones…” de colisiones (entiéndase, búsqueda del higgs) para dentro de esto encontrar, por discriminación algunas buenas señales. Actualmente en las mediciones, se infiere y se aproxima mucho, esto hace que incluso el valor experimental de un parámetro del micromundo o el macromundo cósmico, calculado por un método, no sea igual al calculado por otro. Por lo que con tantas aproximaciones de mediciones indirectas, que ya han sido aproximadas de otras indirectas aproximadas, no podamos saber cual de los dos es el valor más correcto, si los valores obtenidos están muy próximos, algo que antes no era un problema discernir. Hay tantos equipos ultrasensibles implicados en las mediciones, en lo que se quiere medir, que esos mismos equipos son verdaderas hazañas científicas, por lo que cada uno de ellos necesita un cuerpo de especialistas para mantenerlos a punto. Incluso al nivel actual, importa hasta el método de calculo que usa las cadenas de computadoras que monitorean y calculan todo esto, por lo que ya a este nivel puedes haber puesto, 5,4568603 por 5,4578603 (5,45”6”8603 por 5,45”7”8603) en un programa de miles de códigos y eso estar afectando el valor mas probable de la medición.

                              Buscar en Higgs en marañas como esta de arriba, no resultará nada fácil

Lo que pasa es que los físicos tenemos simpatías por ciertas corrientes, debido a como te formaste o te formaron, debido a lo que investigas o te gusta investigar y entonces sobredimensionamos nuestras perspectivas, además de ignorancia y oportunismo. Lo malo no es que se divulguen estas cosas, lo malo es que se habla y se habla, y no se aclaran los límites físicos de las teorías o ideas físicas. Se divulga y se divulgan ideas, como si toda la sociedad fuera especialista, y la física actual no es un jueguito al alcance de la mano del PIB de cualquier país. Incluso países como España, entre los más desarrollados del mundo, no pueden tener ni un mínimo programa espacial autónomo. Son cosas muy serias, muy complejas, cosas que están más allá de los límites humanos, y es maravilloso que los humanos estemos en esos límites, pero hay que divulgar con responsabilidad. Ya llame la atención sobre eso en el blog de Emilio y de Francis y veo como ellos, se toman todas las licencias científicas que requiere la divulgación, pero ponen cuidado en aclarar los limites y la veracidad de la existencia de lo que tratan, no lo ven como un tiempo perdido, sino como algo muy importante para el lector. Por eso un divulgador científico, no puede ser un periodista, no puede ser un científico, la divulgación científica; es el patito feo a lo largo de la historia, del periodismo. Un periodista puede decirte los errores gramaticales, o sintácticos…, incluso puede lograr buenas entrevistas científicas (no muchas), pero jugar con las ciencias, con las físicas-matemáticas, con los numerología experimental, desentrañar misterios que parecen de Dios y que medianamente se entiendan, eso necesita un talento divino, que Dios le negó hasta los científicos mas iluminados. Si no se tiene esto en cuenta, si no se tiene en cuenta los límites, llega el momento que estos se convierten en un error, por lo que los objetivos que se perseguían con la divulgación, acaban perdiéndose en la confusión que adquiere el lector. Ya te encuentras personas discutiendo sobre cosas que no existen, que no se han encontrado, que no se han demostrado, dando fe de ellas como si fueran el pan nuestro de cada día. Pueden llegar hasta matar por lo que defienden, no hay quien los saque de su error, ¿de donde viene la confusión? Son personas inteligentes, de fe científica, personas que creen en la ciencia porque les gusta, porque la ven a su alrededor, o han sentido sus beneficios en un hospital, y están en el deber, por la fuerza de su propia realidad, de creer y defender lo que leen sobre la ciencia. De tener fe en todos los científicos con titulo, pero un científico no necesariamente puede explicarle la ciencia a cualquiera, no eso es un disparate muy común. Yo ni me arriesgo, se mis limites y que hay muchos mejores. Pero lo que habla un especialista, puede ser un poco para especialista. No por ser premio Nobel, se sabe explicar ciencia. Muchos de mis profesores mas premiados, no fueron de los que mas aprendí o entendíamos; recuerdo los comentarios y había consenso en esto. Recuerdo uno muy talentoso (muy tímido), fuera de serie, de análisis funcional, que se pegaba a la pizarra, habla tan bajito con el (un susurro), con la pizarra y sus ecuaciones, además de no moverse (una momia, increíble) de ese lugar, ni mirarnos durante toda la clase. Al punto de que nadie ni se movía para poder escucharlo, podías sentir hasta el aleteo de una mosca del silencio que había entre los estudiantes. ¿Crees que unas explicaciones divulgativas de un genio así no es codiciada por todo periodista?; pero no funcionaria, estoy seguro. Al final la polea informativa iría llena de cosas confusas.

¿Será el LHC el que nos traiga esas partículas exóticas, el que nos deje vislumbrar la sombra de las cuerdas, el que nos lleve hasta la puerta de esas dimensiones compactadas en el “universo” infinitesimal, el que pueda tener la llave para abrir puertas hasta ahora cerradas que no nos dejan pasar hacia el futuro de la Física?

NO existe el Higgs hasta que no se encuentre, no existen las superarticulas por lo mismo, no existe la energía oscura o la materia oscura, no hay 100% de certeza de la existencia de agujeros negros, no se sabe si el universo es finito o infinito en espacio y tiempo; por lo que no sabemos si existió un Big Bang, no sabemos que son las cuerdas, ni siquiera que son las matemáticas de cuerda físicamente…, no podemos ir al pasado a comprarnos tickets de lotería. Ahora, la ciencia, y su cortita historia, esta hecha de sueños y aspiraciones, de un conjunto de ideas y creencias; pero estas ideas tienen que buscar los “vericuetos” de la materialización, la realidad, y después pasar a la ciencia o la ingeniería aplicada… Incluso hay cosas, que los contemporáneos de muchos científicos creían imposibles de realizarse o encontrarse, y después se encontró la forma; pero esto no nos puede llevar a limites fanáticos, hay que saber moverse sobre esa cuerda floja, sin caer al abismo, ese es el arte del físico, emparedarse correctamente entre la matemática, la física, la mente, la sicología de su lógica humana y la naturaleza; una relación de compromiso casi imposible, pero fascinante. Algo difícil, para el que además, quiere divulgar la física; porque puede desmotivar al que no es muy dado a la ciencia, pero la realidad siempre es más fuerte que uno y hay que tenerla en cuenta también, para no caer en babeos. Lo mejor es ir iniciándose poco a poco, comparando artículos, comprender que la naturaleza no le regala muchas cosas a los hombres de ciencia. Ver que para llegar a las rosas, los científicos se pinchan con sus espinas cortantemente, muchos científicos, los físicos sobre todo, les niegan esto a los lectores porque los toman como intelectualmente inferiores, la clásica soberbia académica. Por ellos saben, que también hubo que desterrar muchas fantasías de la cabeza de los científicos, para crear las comodidades que hoy nos rodean y que no existen en la naturaleza.

tomwoodgonzalez@hotmail.com
Miami.”

De Tom Wood sabemos, según él mismo nos dice:

Fisico.
Ubicación	Florida, Miami, Estados Unidos
Introducción	Nací el 21 de junio de 1967. El día de más luz del año; sin embargo, se fue la luz durante el parto y como usaban oxigeno, no podían encender los faroles chinos de emergencia, solo la luz de un camión a través de una ventana lo permitió. Por la hora en que nací; unas veces soy Gemini(2) y otras Cáncer(1). Mi vida ha sido tan intensa, que una hora de mi vida, equivale a una semana de cualquier otra persona.

¡Ahí queda eso! Si alguien tiene algo que añadir…Esperamos con ansiedad.

En mecánica cuántica, la estructura del átomo se explica por analogía con un sistema de ondas estacionarias. Gran parte de los avances de la física moderna se basan en elaboraciones de la teoría de las ondas y el movimiento ondulatorio. Otra vez la doble personalidad de la luz, onda-partícula, ¿que secretos no estarán encerrados en la esencia del fotón y del electrón? ¿Tendrá razón nuestro contertulio Tom Wood y nos dará una agradable sorpresa con su Teoría Luz-Luz? Sería una agradable sorpresa.

En poco más de un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad más absoluta (conceptos básicos eran desconocidos), a una claridad, no cegadora aún, pero sí aceptable.  Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y el ritmo, parece que se mantiene a un nivel muy alto. De hecho, es exponencial, cada vez se avanza más en menos tiempo.

¡ El Tiempo !, ese preciado bien está a nuestro favor.  Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas. Pongamos nuestras esperanzas en que seamos responsables y tomemos las dicisiones correctas en cada momento, sabiendo utilizar de manera adecuada, esos nuevos descubrimientos que nos llevarán hacia el futuro.

Cuestiones “sencillas” de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente.  Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.  No siempre lo consigo.

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo. Hasta un diminuto (no por ello menos importante) electrón, crea, con su oscilación, su propio campo magnético, y,  aunque pequeño,  se le supone un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2,82 x 10^-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente del electrón y c es la velocidad de la luz.

También, dentro de este maravilloso planeta nuestro, aparte de otros magnetismos que pudieran estar presentes, está el nuestro, el de los seres vivos y, sobre todo, hablando de los racionales, ese magnetismo se puede dar de dos maneras: El Amor, que irremisiblemente nos atrae, o, el Odio, que al sentirlo sobre otra persona nos repele con la misma fuerza. ¡Qué extraños somos!

Pero sigamos hablando de Física. Por ejmplo, quiero explicar el magnetismo y digo:

Grupo de fenómenos asociados con los campos magnéticos.  Siempre que una corriente eléctrica fluye, se produce un campo magnético; como el movimiento orbital de un electrón, y el espín de los electrones atómicos son equivalentes a pequeños circuitos de corriente, los átomos individuales crean campos magnéticos a su alrededor cuando los electrones orbitales tienen un momento magnético neto como resultado de su momento angular.  El momento angular de un átomo es el vector suma de los momentos magnéticos de los movimientos orbitales y de los espines de todos los electrones en el átomo.

MECANICA ONDULATORIA DE SCHRÖDINGER:

Partiendo de las ideas de Planck y Louis de Brogli (1892-1987) y aplicando las matemáticas de William Rowan Hamilton (1805-1865), Erwin Schrödinger (1887-1961) desarrolló un modelo matemático en donde aparecen tres parámetros: n, l, y m; no fijó trayectorias determinadas para los electrones, soló la probabilidad de que se hallen en una zona explica parcialmente los espectros de emisión de todos los elementos. Sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenómenos espectrales.

Orbitales: los elementos con diversos valores de momento angular ocupan regiones del espacio como éstas. La intensidad del sombreado indica la probabilidad de encontrar un electrón a esa distancia. El modelo atómico de Schrödinger abandonó la idea de órbitas precisas y las sustituyó por descripciones de las regiones del espacio (llamadas orbitales) donde es más probable que se encuntren los electrones.

Las propiedades magnéticas macroscópicas de una sustancia tienen su origen en los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes.  Diferentes materiales poseen distintas características en un campo magnético aplicado; hay cuatro tipos de comportamiento magnético:

1) En diamagnetismo, la magnetización está en la dirección opuesta a la del campo aplicado, es decir, la susceptibilidad es negativa.  Aunque todas las sustancias son diamagnéticas, es una forma débil de magnetismo que puede ser enmascarada por otras formas más fuertes.  Tiene su origen, en los cambios inducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesto a la del flujo aplicado (de acuerdo con la ley de Lenz).

Existe, por tanto, una débil susceptibilidad negativa (del orden de -10^{-8 m3} moL^-1) y una permeabilidad relativa ligeramente menor que uno.

Un ferrofluido es un líquido que reacciona en presencia de un campo magnético. Basicamente se puede decir que se imanta, es exactamente lo mismo que pasa cuando acercas un clavo a un iman, solo que no poseen ferromagnetismo, osea que no poseen la capacidad de mantener la fuerza magnetica una vez retirado el iman.

El ferro-magnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido.

• Los ferrofluidos suelen utilizarse en altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, así como amortiguar pasivamente el movimiento del cono.
• También se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros.
• Se utilizan en la impresión de tinta por chorro, control de carátulas alfa-numéricas, etc.
• En la medicina, los ferrofluidos son capaces de detectar ciertos canceres y tambien puede ser utilizado para prevenir la ceguera. Es una nueva forma para tratar el desprendimiento de la retina que está siendo estudiada.
• Los amortiguadores de la suspensión de un vehículo pueden llenarse con ferrofluido en lugar de aceite convencional, rodeando todo el dispositivo con un electroimán, permitiendo que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) puedan ser variadas de acuerdo a preferencias del conductor.

Los materiales para-magnéticosno presentan la anulación global de efectos magnéticos, por lo que cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán.

2) En paramagnetismo, los átomos o moléculas de la sustancia tienen momentos magnéticos orbitales o espín que son capaces de estar alineados en la dirección del campo aplicado.  Estos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que uno.  El paramagnetismo aparece en todos los átomos y moléculas con electrones desapareados; es decir; átomos libres, radicales libres y compuestos de metales de transición que contienen iones con capas de electrones no llenas.

También ocurre en metales como resultado de momentos magnéticos asociados a los espines de los electrones de conducción.

                                                          Interacción del viento solar con el campo magnético de la Tierra y consecuencias.

El campo magnético terrestre presente en la Tierra no es equivalente a un dipolo magnético. sino que  presenta otro tipo especial de magnetismo. Es un fenómeno natural originado por los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y está presente en la Tierra y en otros cuerpos celestes como el Sol.

Se extiende desde el núcleo atenuándose progresivamente en el espacio exterior (sin límite), con efectos electromagnéticos conocidos en la magnetosfera que nos protege del viento solar, pero que además permite fenómenos muy diversos (orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.

3) En sustancias ferromagnéticas, dentro de un cierto rango de temperaturas, hay momentos magnéticos atómicos netos, que se alinean de forma que la magnetización persiste después de eliminar el campo aplicado.

Por debajo de una cierta temperatura, llamada el punto de Curie ( o temperatura de Curie), un campo magnético en aumento aplicado a una sustancia ferromagnética causará una magnetización creciente hasta un valor máximo, llamado la magnetización de saturación.  Esto es debido a que una sustancia ferromagnética está constituida por pequeñas regiones magnetizadas (1-0,1 mm de ancho) llamadas dominios.

El momento magnético total de la muestra de sustancia es el vector suma de los momentos magnéticos de los dominios constituyentes.  Dentro de cada dominio los momentos atómicos individuales se alinean espontáneamente por fuerzas de intercambio, que dependen de si los espines de los electrones atómicos son paralelos o antiparalelos.

Sin embargo, en un trozo no magnetizado de material ferromagnético los momentos de los dominios no están alineados; cuando un campo externo es aplicado, esos dominios que están alineados con el campo aumentan de tamaño a expensas de otros.

En un campo muy intenso todos los dominios se alinean en la dirección del campo y producen la alta magnetización observada.  El hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones son ferromagnéticos.  Por encima del punto de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Como hemos podido ver el paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos. Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera

El paramagnetismo se parece al ferromagnetismo pero es mucho más débil. Metales como el aluminio o el wolframio son paramagnéticos.

Con estos datos es realmente fácil entender cómo funciona un detector de metales. un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán casero con nuestro cable) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector “nota” que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.

Antiferromagnetismo

Concepto:Cuando el ordenamiento de los momentos magnéticos es en la misma dirección pero en sentidos opuestos, por ejemplo por pares, se produce el denominado antiferromagnetismo.

4) Algunos metales, aleaciones y sales de elementos de transición muestran otro tipo de magnetismo llamado antiferromagnetismo.  Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada la temperatura de Néel, a la cual se forma espontáneamente una red ordenada de momentos magnéticos atómicos en la que momentos alternos tienen direcciones opuestas.  No hay, por tanto, momento magnético resultante en ausencia de un campo aplicado.

En el fluoruro de manganeso, por ejemplo, esta disposición antiparalela ocurre por debajo de una temperatura de Néel de 72 K.  Por debajo de esta temperatura, el ordenamiento espontáneo se opone a la tendencia normal de los momentos magnéticos de alinearse con el campo aplicado.  Por encima de la temperatura de Néel la sustancia es paramagnética.

Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm² (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta.

La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo, son dos las morfologías que conviene destacar (Fig. 1): Morfología equiaxial y (fig. 2): estructura de Widmanstätten.

Ferritas: La morfología equixial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamente iguales, que resultan a veces atacados diferentemente en función de su orientación cristalográfica respecto a la superficie de observación.

En la estructura Widmanstatten un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo.

Una forma especial de antiferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas (arriba figuras 1 y 2).  En estos materiales, o bien los momentos magnéticos de los iones adyacentes son antiparalelos y de intensidad desigual, o bien el número de momentos magnéticos en una dirección es mayor que el número de los que hay en la dirección opuesta.

Mediante una adecuada elección de los iones de tierra raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si nos queremos referir al geomagnetismo, estaremos hablando de la ciencia que estudia el campo magnético terrestre.

                                         Campo magnético terrestre

¿Cuántas reprersentaciones no habremos visto del campo magnético de la Tierra?

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos los planos, el polo Norte del imán apuntará en una dirección aproximadamente al Norte.  El ángulo (D) entre la dirección horizontal a la que apunta y el meridiano geográfico en ese punto se llama la declinación magnética.  Se toma positiva al Este del Norte geográfico y negativa al Oeste.  La aguja no estará horizontal salvo en el ecuador magnético.  En todos los demás lugares formará un ángulo (/) con la horizontal, llamado la inclinación magnética.

En todos los polos magnéticos /= 90° (+90° en el polo Norte, -90° en el polo Sur), y la aguja será vertical.

Las posiciones de los polos, que varían con el tiempo, eran en los años setenta aproximadamente 76, 1 ° N, 100° W (N) y 65, 8° S, 139° E (S).  El vector intensidad F del campo geomagnético se determina por I, D y F, donde F es la intensidad magnética local del campo medida en gauss o tesla, o lo que es igual a: 1 gauss: 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes vertical y horizontal de F y sus componentes Norte y Este, son llamados los elementos magnéticos.

Lo cierto es que, ese fenómeno natural creado por la física de la Tierra, nos permite estar aquí, a salvos de la miríada de partículas nosivas que nos podrían caer encima y destruirnos, el campo magnético y la capa de ozono nos preserva de la lluvia nosiva para la que, de momento, no hemos encontrado muchas soluciones, sino, que le pregunten a los astronáutas que visitan el espacio exterior y se exponen a todo tipo de radiaciones.

Esta explicación del geomagnetismo, podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos.  Sin embargo, ¿ a quien le gustaría ? A eso me refería cuando decía: “… primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico.   No siempre lo consigo.” Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y completa estoy seguro que aburriría a todos, así que mejor lo dejamos así.

Los campos electromagnéticos artificiales perturban el magnetismo natural terrestre y el cuerpo humano sufre cambios de sus ritmos biológicos normales pudiendo sucumbir a diferentes enfermedades. Por tal motivo, en algunos centros de trabajo (el LHC, por ejemplo), en algunas circunstancias se toman medidas especiales para evitar tales influencias.

El lector de ciencia no iniciado, no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultaran aburridas, tediosas y lo que es peor, incomprensible. Recuerdo aquel amigo escritor de ciencia que me decía: “Cada ecuación que pongo en un libro me quita diez lectores”.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia, deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso halo mágico que se desvela ante sus ojos produciéndoles asombro y sorpresa ante tales maravillas.

Incluso la caída de una gota de agua, observada al microscopio electrónico, puede resultar una auténtica maravilla. Ahí, aunque parezca mentira, también está presente el magnetismo y, la figura que podeis contemplar llena deextraña belleza, es una de las tantas obras que na Naturaleza puede crear y que no siempre los humanos podemos comprender. ¿Será casualidad ese corazón que ha surgido como por arte de magia?

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas, el proceso que sigue hasta convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente, le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quien y como lo cuente.

Nace una de las mayores estrellas de la Vía Láctea. La ESA nos presenta los primeros hallazgos del Telescopio Herschel, lanzado hace ahora 1 año. En la Imagen, podemos contemplar como, en las densas nebulosas moleculares de hidrógeno se están ionizando las partículas al ser bombardeadas por la radiación proveniente de la nueva estrella que trata de nacer en esa especie de burbuja de celeste aún desvaido que irá, tomando fuerza a medida que se consolide como protoestrella y comience a radiar fuertemente en ultravioleta de cuyos vientos solares se verá, esas regiones transformadas.

Imagen de una estrella en formación dentro de la Nebulosa

Me preocupa, cuando escribo, que lo que estoy contando pueda aburrir al posible lector.  En mi caso, que no superviso de manera previa mis pensamientos y tal como nacen los escribo, es posible que en alguna ocasión mis escritos aburran, pero nunca ha sido mi intención y, si así ocurre, pido disculpas.

emilio silvera

 Un día de 1.900, se publicó un artículo de ocho páginas que sentaron las bases de la Mecánica Cuántica. Su autor, Max Planck, cambió conceptos clásicos para traernos una nueva visión del universo infinitesimal (10 con exponente -35 m.) a una distancia conocida como límite de Planck , mucho más allá de donde los Quarks están confinados en tripletes formando protones y neutrones y la fuerza nuclear fuerte tiene su dominio y se deja sentir a través de los bosones portadores, los Gluones.

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Los agujeros de gusano del inter-universo que asocian un universo con otro diferente y son denominados agujeros de gusano de Schwarzschild. Esto nos permite especular si tales agujeros de gusano podrían usarse para viajar de un universo a otro paralelo. Otra aplicación de un agujero de gusano podría ser el viaje en el tiempo. En ese caso sería un atajo para desplazarse de un punto espaciotemporal a otro diferente. En la teoría de cuerdas un agujero de gusano es visualizado como la conexión entre dos D-branas, donde las bocas están asociadas a las branas y conectadas por un tubo de flujo. Se cree que los agujeros de gusano son una parte de la espuma cuántica o espaciotemporal.

El vacío estable y absoluto de Newton,  con trayectorias continuas y determinadas, ha dejado paso al vacío cuántico asociado a unas extrañas trayectorias (*) discontinuas y fracturadas, llamadas por ello trayectorias fractales (no son propiamente trayectorias). La existencia del cuanto de acción o constante de Planck (se llama acción al producto de una energía por un tiempo), base de la física cuántica, es la causa de ese cambio fundamental, y de otros muchos, con profundas consecuencias. Mediante la geometría fractal, este nuevo marco nos ofrece nuevas e interesantes perspectivas.

Planck, nos habló del “cuanto” de acción h, y nos dijo que la energía se transmite en paquetes de manera discontinua. Aquello, asombró al mundo y el mismo Planck fue consciente de que, sus creencias sobre la Física, a partir de ese momento, serían otras.

 Inspirado en el trabajo de Planck, Albert Einstein desarrollo un trabajo sobre el “Efecto Fotoeléctrico ” – que le valió el Nobel de Física de 1.921 – y, contribuyó de manera activa al desarrollo de la Mecánica Cuántica que, más tarde, combatió.

La noción del entrelazamiento cuántico es una idea nada nueva que se remonta a principio del siglo XX, a 1900, cuando el físico alemán Max Planck, considerado el padre de la teoría cuántica, propuso que no podemos hablar de una cantidad infinita de energía, sino que esta se transmite en pequeñas cantidades o paquetes llamados cuantos. En 1905, Albert Einstein, basándose en los experimentos de otro gran físico, Philipp Lenard, sobre el efecto fotoeléctrico, propuso que las ondas de luz se pueden propagar como ondas y como partículas al mismo tiempo. De hecho, propuso al fotón como la partícula portadora de la luz.

 Llegaron nuevos Físicos como Werner Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y otros que, desarrollaron lo que hoy conocemos como Mecánica Cuántica. Heisenberg con su Principio de Incertidumbre nos demostró que no podíamos saberlo todo al mismo tiempo. Si queremos conocer la situación de un electrón y para ello utilizamos un microscopio electrónico, el mismo hecho de su utilización transformará el medio observado, ya que, los fotones enviados por el microscopio cambiarán la dirección de dicho electrón. De esta manera, podemos saber dónde está, pero no sabremos a donde se dirige.

 Schrödinger, con su función de onda, nos dio una buena herramienta para buscar la partícula mediante un sistema de alta probabilidad de su situación.

La Mecánica cuántica describe el estado instantáneo de un sistema (estado cuántico) con una función de onda que codifica la distribución de probabilidad de todas las propiedades medibles, u observables. Algunos observables posibles sobre un sistema dado son la energía, posición, momento y momento angular. La mecánica cuántica no asigna valores definidos a los observables, sino que hace predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad. Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda. Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo. Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida aunque esta evolución es estocástica y se produce mediante colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema. Por ejemplo, una partícula moviéndose sin interferencia en el espacio vacío puede ser descrita mediante una función de onda que es un paquete de ondas centrado alrededor de alguna posición media. Según pasa el tiempo, el centro del paquete puede trasladarse, cambiar, de modo que la partícula parece estar localizada más precisamente en otro lugar. La evolución temporal determinista de las funciones de onda es descrita por la Ecuación de Schrödinger.

La Mecánica Cuántica ha alcanzado unas cotas increíbles de consistencia y experimentalmente, es una de las teorías más acreditadas. Sin embargo, mi parecer es que siendo una herramienta muy útil para los Físicos, no es la definitiva, en un futuro próximo tendremos muchas sorpresas de la mano del LHC que en este mismo año nos dará alguna alegría importante para el mundo de la Física.

 El otro gran pilar en el que se apoya la Física, se llama Relatividad Especial. Todos sabéis lo que fue para la Física el año 1.905. Esa primera parte de la teoría relativista de Einstein, nos legó conocimientos muy importantes, tales como que un objeto viajando a velocidades cercanas a la de la luz aumenta su masa o que el hipotético viajero de una nave espacial que viaje a ésas velocidades relativistas, habrá conseguido ralentizar su tiempo. El tiempo pasa más lento cuando la velocidad es grande. Y, el otro logro importante que fue resumido en la ecuación más famosa de la historia de la Física, fue el hecho de descubrir que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa. E=mc2 ¡cuánta belleza y profundidad expresado en tan poco espacio!

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Albert Einstein realizó una verdadera hazaña intelectual y nos legó su teoría General de la Relatividad, una teoría construida desde la pura geometría, excediéndose en elegancia y efectiva en su espacio de aplicación. La relación entre el cuerpo y la curvatura del espacio-tiempo, es equivalente (Gµv). Significa, la manifestación visible o invisible de la energía [m=e/c2], y en este caso, manifestada en la forma masiva del cuerpo, curva el espació-tiempo.

 La Humanidad ha conseguido logros increíbles en el campo de la Física, siempre acompañada de las matemáticas, han llegado a dejar al descubierto cuestiones misteriosas y muy bien escondidas en lo más profundo de la materia y de las fuerzas fundamentales que interaccionan con ella.

 Ahora nos podemos plantear preguntas que nadie sabe contestar e incluso algunas que no sabemos ni plantear, nos faltan conocimientos para hacer tales preguntas. Sin embargo, en el futuro, las respuestas llegaran.

 ¿Cómo podría haber preguntado Pitágoras por el significado de  m=E/c2 (E=mc2), si Einstein nació más de 2.000 años más tarde?

Dualidades entre teoría de cuerdas y teoría M.

Los análisis bibliométricos del ISI Web of Science parecen indicar que, con 4 artículos entre los 10 más candentes en física en 2009, la teoría de cuerdas está viviendo su tercera revolución gracias a la teoría de M2-branas de Bagger-Lambert. La segunda revolución, la de la dualidad, resaltó la importancia de la teoría M, pero sólo logró que entendiéramos muy bien las D-branas. La tercera revolución parece que tiene por objeto entender bien las M-branas, de las que prácticamente no se sabía nada antes de la teoría de Bagger-Lambert. Curiosa manera tienen los físicos de cuerdas de celebrar las bodas de plata de su primera revolución. Fuente: Simon Mitton, “Is This the Third Revolution for String Theory?,” en “HAT´S HOT IN…PHYSICS, March/Aprin 2.000,”  del Thomson/Reuters ISI Science Watch. Los Hot Papers son los artículos que más rápidamente están siendo citados en el ISI Web of Science. Entre los 10 hot papers de Física en 2009, los 4 sobre teoría de cuerdas están en los puestos #4, #6, #9, y #10, y todos describen propiedades de las M2-branas. Hacía 10 años (desde la segunda revolución de la teoría de cuerdas) que no ocurría algo así. ¿Estamos viviendo la tercera revolución de la teoría de cuerdas?

 De la misma manera estamos hoy haciendo preguntas o formulando teorías que no pueden ser contestadas o comprobadas. La energía de Planck (10 con exponente 19 GeV) nos vendría muy bien para poder comprobar la teoría M que ha unificado todas las teorías existentes sobre la teoría de cuerdas. Sin embargo, nuestra civilización actual no tiene la posibilidad de alcanzar dicha energía y habrá que esperar mucho tiempo para que eso sea posible.

 No podemos dejar por ello de continuar de trabajar en ese campo de las cuerdas, es prometedor e ilusionante, allí, en las más altas dimensiones, parece que es posible hermanar a la Mecánica Cuántica y a la Relatividad General. Esta teoría nos promete por fin una teoría cuántica de la gravedad.

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La verdad es que, hay muy pocos lugares en el universo donde la relatividad general sea importante. Para la vida cotidiana, para enviar sondas por el sistema solar, y para cualquier otra situación en la que es probable que nos hallemos, no necesitamos preocuparnos por la relatividad general. Esta teoría es importante en el ámbito del Universo cuando se habla de grandes masas como estrellas y galaxias, o, planetas…cuerpos con mas de cierta importancia. Para las partículas individuales subatómicas, la fuerzas es despreciable. Sin embargo, en presencia de planetas como Júpiter, el espaciotiempo se curva.

 Puede parecer ciencia ficción hablar y exponer hechos y conceptos que no pueden ser demostrados, sin embargo, Einstein esperó largos años con su teoría de la Relatividad General bien asentada en su cabeza, sin poder exponerla al mundo por no tener las matemáticas necesarias para ello, y, cuando su amigo Marcel Grossman, al que había pedido ayuda, le envió algunos documentos entre los que se encontraba la famosa Conferencia de Riemann, Einstein quedó paralizado ante el Tensor Métrico de Riemann, allí tenía la herramienta que estaba buscando y que le permitía formular de manera precisa los espacios curvados de la relatividad general.

 De la misma manera, un día, alguien surgirá y nos traerá las matemáticas necesarias para que, la teoría M se pueda exponer de manera clara y completa. ¿Serán las funciones modulares de Ramanujan las que nos sacará del atolladero? Todos sabéis que las matemáticas topológicas de la Teoría M, son extremadamente difíciles, pocos tienen acceso a ellas, y, de momento, parece que nadie está en posesión de los conocimientos matemáticos que se precisan.

 Tendremos que esperar un poco. Sin embargo, la Ciencia futura está a la vuelta de la esquina:

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado a la manipulacion de material a la escalla menor de un micrometro es decir al nivel de atomos y moeculas (nanometria) lo mas habitual es que tal manipulacion se produsca entre uno o 1000 nanometros para hacer una idea de copmo son los nanobotts un nanobot mide 50nm sus capas son de 5 molecula.

¿Qúe no podremos contruir con las nuevas técnicas de nanotecnología? Inundaremos los planetas lejanos de minúsculos robots que no serán detectados y nos podrán inviar información fidedigna de todo lo que queramos? Por ahí podría ir el futuro, menos coste en los lanzamientos desde bases lunares o marcianas y, en pequeñas naves podrían ir cientos de robots que se espacirían por todo el pequeño o gran mundo a explorar.

Como nuestra curiosidad es inagotable, nos empuja a preguntar, trabajar, estudiar, investigar y profundizar en todas estas cuestiones que atrae a todos aquellos que, como yo, enamorados de la Física, saben que, algún día lejano en el futuro, nuestra Civilización alcanzará el nivel requerido para poder abrir esas puertas que ahora tenemos cerradas y de las que no tenemos las llaves para poder abrirlas. Encima de estas puertas, los letreros dicen: Teoría M, Materia Oscura, Densidad Crítica, Universos paralelos, Viajes en el Tiempo, Singularidades, etc.

 Me gustaría estar presente cuando pasados algunos siglos, nuestra especie tenga como fuente de energía inagotable la que generan los Agujeros Negros. Esa energía nos dará la posibilidad de viajar a las estrellas y de llegar al fondo de la teoría M.

 Pero no corramos tanto. Pensemos en cuestiones más cercanas y con posibilidades, como la localización del Bosón de Higgs. Pero, ¿Que es el campo de Higgs? ¿Y, el Bosón de Higgs?

                                              ¿Se le perdió el Bosón de Higgs? Sí, lo está buscando

 Estamos preguntando por el campo de fuerzas y energías donde se generan las partículas llamadas bosones de Higgs que, hipotéticamente proporciona masa a todas las demás partículas y se encuentran en este campo virtual o de vacío que aún nadie ha podido encontrar. Por eso la puesta en marcha del LHC en el CERN (Ginebra), ¡nos produce tanta ilusión! Allí pueden estar las repuestas a todas esas preguntas aun no contestadas.

 No debemos olvidar que, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

 Así es. Al menos hasta donde sabemos, los planetas, las estrellas y Galaxias y demás objetos estelares (nosotros también), están hechos de infinitesimales objetos: Quarks y Leptones. Todo lo que podemos ver en el Universo está hecho de materia bariónica, existe otra clase de materia que aún no sabemos lo que es, dónde está o como se genera y de qué está hecha (esa que nuestra ignorancia denomina Materia Oscura).

                                                                       La materia primordial del Universo

¡Nuestra imaginación! algo que solo puede ser comparada con la grandiosidad del Universo que… es casi tan grande como ella.

  La Mecánica Cuántica.

La Relatividad Especial y la Relatividad General.

 El Modelo Estándar.

 Las fuerzas Fundamentales.

 Las Constantes Universales.

 Las familias de partículas: Quarks (u, d, s, c, t, b), Hadrónes (bariones y mesones), los  Leptones (electrón, muón, tau y sus respectivos neutrinos).

 La Teoría M y antes la de Supersimetría, Supergravedead, la de cuerdas, la cuerda heterótica.

 En su día la teoría de Kaluza-Klein (la primera de más altas dimensiones)

                     Hablamos de Universos hologrñáficos

 Y, de esta manera podríamos continuar exponiendo ejemplos enormes de la imaginación que poseemos y que es el don que la humanidad tiene para descubrir los misterios del Universo. Einstein llamaba a esto hacer ejercicios mentales. Está bien que nuestras mentes no tengan límites a la hora de imaginar. Creo que, a excepción de las imposibilidades y barreras impuestas por nuestro físico, todo lo demás, con el tiempo podrá ser posible. Hasta tal punto es así que, hasta podremos (ya lo hemos hecho) hacer que nuestras vidas sean más duraderas.

 Alguien dijo que Genio es aquel que es capaz de plasmar en realidad sus pensamientos. Pues, amigos, en la Física han sido muchos los genios que han aportado su imaginación.

La pregunta que hay que responder aquí es lo que se entiende por Física. Por mi parte, Física es todo lo que aquí he dejado escrito y muchísimo más. Creo firmemente que la Física es el arma más poderosa con la que cuenta la Humanidad para resolver todos los problemas que tiene planteados a plazo fijo en el futuro lejano.

                          Hasta la vida es Física y Química

¿Habéis pensado alguna vez que el Sol tiene una cantidad de combustible nuclear – hidrógeno – limitado? El día que se acabe, dentro de 4.000 millones de años ¿dónde iremos?  La pregunta parece tonta, sin embargo, no lo es. No debemos descansar en el avance del saber científico de la Física y las matemáticas (además de en los otros campos), ya que, en ese no parar estará la solución a todos nuestros problemas presentes y futuros, y, la llave que abrirá la puerta principal, se llama Física (siempre acompañada por la llave maestra de las matemáticas).

Y, mientras tanto, continuará el proceso de humanización que aún está por terminar…¡Nos queda tanto!

 emilio silvera

                                                             Samuel Abraham Goudsmit, George Uhlenbeck y Hendrik Kramers

“El gran Arthur Eddington dio una conferencia sobre su derivación de la constante de estructura fina a partir de una teoría fundamental. Goudsmit y Kramers estaban entre la audiencia.  Goudsmit entendió poco pero reconoció que era un absurdo inverosímil. Kramers entendió mucho y reconoció que era un completo absurdo. Tras la discusión, Goudsmit se acercó a su viejo amigo y mentor Kramers y le preguntó: ¿Todos los físicos se vuelven locos cuando se hacen mayores? Tengo miedo. Kramers respondió, “No Sam, no tienes que asustarte. Un genio como Eddington quizá puede volverse loco pero un tipo como tú sólo se hace cada vez más tonto”.

“La historia es la ciencia de las cosas que no se repiten”.

Paul Valéry

Arthur Stanley Eddington (1882-1944)

El mayor misterio que rodea a los valores de las constantes de la naturaleza es sin duda la ubicuidad de algunos números enormes que aparecen en una variedad de consideraciones aparentemente inconexas. El número de Eddington es un ejemplo notable. El número total de protones que hay     dentro del alcance del universo observable esta próximo al número

10⁸⁰

Si preguntamos ahora por la razón entre las intensidades de las fuerzas electromagnéticas y gravitatoria entre dos protones, la respuesta no depende de su separación, sino que es aproximadamente igual a

10⁴⁰

En un misterio. Es bastante habitual que los números puros que incluyen las constantes de la naturaleza difieran de 1 en un factor del orden de 10², ¡pero 10⁴⁰, y su cuadrado 10⁸⁰, es rarísimo! Y esto no es todo. Si seguimos a Max Planck y calculamos en valor estimado para la “acción” del universo observable en unidades fundamentales de Planck para la acción, obtenemos.

10¹²⁰

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Algunos llegan a afirmar que, el Universo es plano e indican que la energía oscura es probablemente la constante cosmológica de Einstein…¡Vivir para ver!

Ya hemos visto que Eddington se inclinaba a relacionar el número de partículas del universo observable con alguna cantidad que incluyera la constante cosmológica. Esta cantidad ha tenido una historia muy tranquila desde esa época, reemergiendo ocasionalmente cuando los cosmólogos teóricos necesitan encontrar una manera de acomodar nuevas observaciones incómodas.  Recientemente se ha repetido este escenario. Nuevas observaciones de alcance y precisión sin precedentes, posibilitadas por el telescopio espacial Hubble trabajando en cooperación con telescopios sensibles en tierra, han detectado supernovas en galaxias muy lejanas. Su pauta de brillo y atenuación característica permite deducir su distancia a partir de su brillo aparente. Y, sorprendentemente, resulta que están alejándose de nosotros mucho más rápido de lo que cualquiera esperaba. La expansión del universo ha pasado de ser un estado de deceleración a uno de aceleración. Estas observaciones implican la existencia de una constante cosmológica positiva (Λ⁺). Si expresamos su valor numérico como número puro adimensional medido en unidades del cuadrado de la longitud de Planck, entonces obtenemos un número muy próximo a

10^-120

                                                            Nunca se ha encontrado un número más pequeño en una investigación física real.

Hablar del Universo en todo su conjunto…No es nada fácil. Podemos hablar de parcelas, de elementos por separado y, una vez individualizados, juntarlos para tener una perspectiva de su conjunto que…No siempre podemos comprender. ¡Es tanto lo que nos quiere decir! que, comprenderlo, nos llevará algún tiempo.

¿Qué vamos a hacer con todos estos grandes números? ¿Hay algo cósmicamente significativo en 10⁴⁰ y sus cuadrados y cubos?

Hermann Weyl

La aparición de algunos de estos grandes números ha sido una fuente de sorpresas desde que fue advertida por vez primera por Hermann Weyl en 1.919. Eddington había tratado de construir una teoría que hiciera comprensible su aparición, pero no logró convencer a un número significativo de cosmólogos de que estaba en la vía correcta. Pero sí convenció a la gente de que había algo que necesitaba explicación. De forma inesperada, fue precisamente uno de sus famosos vecinos de Cambridge quien escribió a la revista Nature la carta que consiguió avivar el interés por el problema con una idea que sigue siendo una posibilidad viable incluso hoy.

Paul Dirac

Paul Dirac ocupó la cátedra lucaciana de matemáticas en Cambridge durante parte del tiempo en que Eddington estuvo viviendo en los observatorios. Las historias que se cuentan de Paul Dirac dejan muy claro que era un tipo con un carácter peculiar, y ejercía de matemático las 24 h. del día. Se pudo saber que su inesperada incursión en los grandes números fue escrita durante su viaje de novios (Luna de miel), en febrero de 1937.

Aunque no muy convencido de las explicaciones de Eddington, escribió que era muy poco probable que números adimensionales muy grandes, que toman valores como 10⁴⁰ y 10⁸⁰, sean accidentes independientes y no relacionados: debe existir alguna fórmula matemática no descubierta que liga las cantidades implicadas. Deben ser consecuencias más que coincidencias.

Esta es la hipótesis de los grandes números según Dirac:

“Dos cualesquiera de los números adimensionales muy grandes que ocurren en la naturaleza están conectados por una sencilla relación matemática, en la que los coeficientes son del orden de la unidad”.

Los grandes números de que se valía Dirac para formular esta atrevida hipótesis salían del trabajo de Eddington y eran tres:

N₁ = (tamaño del universo observable) / (radio del electrón)

= ct (e²/m_ec²) ≈ 10⁴⁰

N₂ = Razón fuerza electromagnética-a-gravitatoria entre protón y electrón

= e²/Gm_e m_p ≈ 10⁴⁰

N = número de protones en el universo observable

= c³t/Gm_p ≈ 10⁸⁰

Aquí t es la edad actual del universo, m_e es la masa de un electrón, m_p es la masa de un protón, G la constante de gravitación, c la velocidad de la luz y e la carga del electrón.

El Universo no puede ser estático

Según la hipótesis de Dirac, los números N₁, N₂y raizN eran realmente iguales salvo pequeños factores numéricos del orden de la unidad. Con esto quería decir que debe haber leyes de la naturaleza que exijan fórmulas como N₁ = N₂, o incluso N₁ = 2N_2. Un número como 2 ó 3, no terriblemente diferente de 1 está permitido porque es mucho más pequeño que los grandes números implicados en la fórmula; esto es lo que él quería decir por “coeficientes….  del orden de la unidad”.

Esta hipótesis de igualdad entre grandes números no era en sí misma original de Dirac. Eddington y otros habían escrito antes relaciones muy semejantes, pero Eddington no había distinguido entre el número de partículas del universo observable, que se define como una esfera centrada en nosotros con un radio igual a la velocidad de la luz multiplicada por la edad actual del universo, o lo que es lo mismo:

Trayectoria del Universo observable.

La trayectoria del llamado Universo Observable (y del cual somos su centro al recorrer su geodésica en la geometría espacio-temporal) tiene la forma perimetral de una gota (forma de media lemniscata; cosa curiosa, lemniscata: figura curva ∞ usada como el símbolo de infinito ¿?) que al girarla 45 ° y desarrollar un cuerpo de revolución, se obtienen dos campos toroidales cual si fuesen imágenes antagónicas (una reflejada) de una fuente (surtidor – sumidero cada uno), correspondiendo uno al campo material y el otro al antimaterial.

Lo están ocupando en su totalidad, se retroalimentan a sí mismos en la Hipersingularidad (punto de contacto de los dos campos, principio y fin de ambos flujos donde reacciona la materia y la antimateria con la finalidad de mantener separados ambos universos con el adicional resultado de impulsar nuevamente a los fluidos universales de ambos campos a recorrer la finita trayectoria cerrada (geodésica) siendo el motor propulsor universal de dos volúmenes dinámicos, finitos pero continuos).

Universo observable: R = 300.000 × 13.500.000.000

El cambio radical expuesto por Dirac en su hipótesis de grandes números es que nos exige que creamos que un conjunto de constantes tradicionales de la naturaleza, como N₂, debe estar cambiando a medida que el universo envejece en el tiempo, t:

N₁ ≈ N₂ ≈ raizN α t

Puesto que Dirac había incluido dos combinaciones que contenían la edad del universo, t, en su catálogo de grandes números, la relación que él propone requiere que una combinación de tres de las constantes de la naturaleza tradicionales no sea constante en absoluto, sino que su valor debe aumentar continuamente a medida que el universo se hace más viejo, de modo que

e²/Gm_p α t

Dirac decidió acomodar este requisito abandonando la constancia de la constante de gravitación de Newton, G. Sugirió que estaba decreciendo en proporción directa a la edad del universo en escalas de tiempo cósmicas, como

G α 1/t

Así pues, en el pasado G era mayor y en el futuro será menor que lo que mide hoy. Ahora veremos que N₁ ≈ N₂ ≈ raizN α t y la enorme magnitud de los tres grandes números es una consecuencia de la gran edad del universo: todas aumentan con el paso del tiempo.

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                                                           Que a estas alturas no sepamos a ciencia cierta en qué clase de universo estamos…

La propuesta de Dirac provocó un revuelo entre un grupo de científicos vociferantes que inundaron las páginas de las revistas especializadas de cartas y artículos a favor y en contra. Dirac, mientras tanto, mantenía su calma y sus tranquilas costumbres, pero escribió sobre su creencia en los grandes números cuya importancia encerraba la comprensión del universo con palabras que podrían haber sido de Eddington, pues reflejan muy estrechamente la filosofía de la fracasada “teoría fundamental”.

“¿No cabría la posibilidad de que todos los grandes sucesos presentes correspondan a propiedades de este Gran Número [10⁴⁰] y, generalizando aún más, que la historia entera del universo corresponda a propiedades de la serie entera de los números naturales…? Hay así una posibilidad de que el viejo sueño de los filósofos de conectar la naturaleza con las propiedades de los números enteros se realice algún día”.

Edward Teller

La propuesta de Dirac levantó controversias entre los físicos, y Edward Teller en 1.948, demostró que si en el pasado la gravedad hubiera sido como dice Dirac, la emisión de la energía del Sol habría cambiado y la Tierra habría estado mucho más caliente en el pasado de lo que se suponía normalmente, los océanos habrían estado hirviendo en la era precámbrica, hace doscientos o trescientos millones de años, y la vida tal como la conocemos no habría sobrevivido, pese a que la evidencia geológica entonces disponible demostraba que la vida había existido hace al menos quinientos millones de años. Sin embargo, más tarde con más datos y estudios realizados, se comprobó que la vida, era casi tan antigüa como la misma Tierra, lleva aquí con nosotros 4.000 millones de años.

Claro que, eso es así (que lo es) porque las Constantes Cosmológicas son eso, “Constantes” y, no han variado a lo largo de los miles de millones de años que el Universo existe. Si alguna de ellas, pongamos por caso el electrón, variará su carga en sólo una diezmillonésima, la vida no podría exisitr. Los átomos, como sabeis, están compuestos por el núcleo masivo formado por necleones -protones y neutrones- y, los protones tienen una carga eléctrica positiva. Ese núcleo es rodeado por el mismo número de electrones que tiene el núcleo de protones y, como la carga eleéctrica del electrón es negativa y similar en valor a la del protón, el átomo queda equilibrado y estable haciendo posible que se junen para formar células, moléculas, sustancias y cuerpos…es decir, desde un grano de arena hasta una montaña, una estrella, una galaxia o los seres vivos como nsootros que, de ser las constantes fundamentales del Universo distintas, no estaríamos aquí.

emilio silvera

George Johnstone Stoney nació el 15 de febrero del año 1826 en Londres. Es un físico y matemático irlandés. Estudió la estructura de la materia, y se dedicó a realizar una primera evaluación del número de Avogadro. En 1874 estableció la hipótesis según la cual la electricidad era creada por unos corpúsculos elementales que llamó electrones, cuya carga intentó calcular.

En 1891, Stoney sugirió un nombre para la unidad fundamental de electricidad, fuese o no una partícula. Sugirió el nombre de electrón (nombre griego del ámbar, resina fósil que adquiere una carga eléctrica negativa al ser frotada con un paño), al analizar fenómenos electrolíticos y que se refería a las unidades de electricidad que un átomo perdía al transformarse en un ión. Stoney identificó las unidades naturales de las cantidades físicas.

En 1897 el físico británico Joseph John Thomson descubrió el electrón, cuya existencia había predicho ya en 1891 su compatriota George Johnstone Stoney.

Stoney falleció el 5 de julio del año 1911.

Sus fórmulas fueron:

Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primer que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme, ellas, las constantes, continúan inalterables, como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s. Algo análogo ocurre con la Gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro o valor: G = 6,67259 × 10^-11 m³ s^-2 Kg^-1. Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.

Profesor de filosofía natural (así llamaban antes a la Física) en el Queen’s Collegue Galway en 1860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.

 Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que el mismo eligiera para algún fenómeno físico que él mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en que tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas distancias o fómeno: Se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos dicho en otras ocasiones.

En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” como hemos comentado antes. También, como unidades naturales escogió G y C que responde, como se ha explicado, a la Gravedad Universal y la velocidad de la luz en el vacío.

Faraday en su taller donde realizó miles de experimentos

En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” y dio el primer cálculo de su valor esperado. Demostró que el trío mágico de G, c y e podía combinarse de una manera, y sólo de una, de modo que a partir de ellas se creaban una unidad de masa, una unidad de longitud y una unidad de tiempo. Para la velocidad de la luz utilizó un promedio de las medidas existentes, c = 3 × 10⁸ metros por segundo; para la constante de gravitación de Newton utilizó el valor obtenido por John Herschel, G = 6,67259 × 10-¹¹ m³ s^-2 Kg^-1, y para la unidad de carga del “electrino” utilizó e = 10^-20 amperios.

Estas fueron las inusuales nuevas unidades que él encontró, en términos de las constantes e, c y G, y en términos de gramo, metros y segundos:

Stoney señaló el camino que más tarde, siguió Planck para elaborar sus unidades y, entre ambos, nos han llevado al Universo de lo infinitesimal que, no por pequeño es menos importante, tanto es así que, estas unidades son las que marcan el límite de nuestras teorías actuales, no podemos ir más allá de su límites. Así resulta ser, por ejemplo con la Teoría M que, necesitando de la energía dee Planck para su verificación, no la tendremos ni ahora ni en muchas generaciones venideras.

Estas son cantidades extraordinarias. Aunque una masa de 10^-7 gramos no es demasiado espectacular – es similar a la de una mota de polvo las unidades de longitud y tiempo de Stoney eran muy diferentes de cualquiera que hubieran encontrado antes los científicos.

Eran fantásticamente pequeñas, rozando lo inconcebible. No había (y sigue sin haber) ninguna posibilidad de medir directamente tales longitudes y tiempos. En cierto modo, esto es lo que se podría haber esperado. Estas unidades no están construidas deliberadamente a partir de dimensiones humanas, por conveniencia humana o para utilidad humana.

Están definidas por la propia fábrica de la realidad física que determina la naturaleza de la luz, la electricidad y la Gravedad. No se preocupan de nosotros. Stoney triunfó de un modo brillante en su búsqueda de un sistema de unidades sobrehumanas.

En otra oportunidad, hablaremos de las unidades de Planck.

emilio silvera

Científicos de todo el mundo trabajan para descubrir el misterio del universo y la vida a través de una partícula.

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Como no los podemos ver por su infita pequeñez, siempre acudimos a mostrar las imágenes que surgen de la explosión de los haces de partículas en los aceleradores y que recogen las pantallas del ordenador para que los físicos las estudien y obtengan consecuencias de lo que ahí pueda estar presente.

¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos? Pero, ¿Qué es un Bosón?

Bueno, un Bosón es una partícula elemental con espín entero, es decir, una partícula que obedece a la estadística de Bose-Einstein de la cual deriva su nombre, y, cuando hablamos de estadística cuántica nos estamos refiriendo a la descripción estadística de un sistema de partículas que obedece a las reglas de la mecánica cuántica en vez de las de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados.

La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas pueden ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas se llaman Bosones. Los bosones tienen momento angular  nh/2π, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck. Para Bosones idénticos, la función de onda es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, se aplica la estadística de Fermi-Dirac y las partículas se llaman fermiones. Los fermiones tienen momento angular  (n + ½) h/2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema  espín-estadística.

La colisión de un quark (la esfera roja) desde un protón (la esfera naranja) con un gluon (la esfera verde) desde otro protón con espín opuesto. El espín está representado por las flechas azules alrededor de los protones y del quark. Los signos de interrogación azules alrededor del gluon representan la pregunta: ¿Están los gluones polarizados? Las partículas expulsadas de la colisión son una lluvia de quarks y un fotón (la esfera púrpura)

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasi partículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Pero estábamos hablando de los Bosones y, no estaría demás que, los lectores, supieran del Bosón gauge que es un Bosón vectorial de espín uno que hace de intermediario de las interacciones gobernadas por teorías gauge. Ejemplos de bosones gauge son los fotones en electrodinámica cuántica, los gluones en Cromodinámica cuántica y los bosones W y Z en el modelo de Weinberg-Salam (teoría electrodébil) que unifican las interacciones electromagnéticas y débiles. Si la simetría gauge de la teoría no está rota, el Bosón gauge es no masivo. Ejemplos de bosones gauge no masivos son el fotón y el gluón. Si la simetría gauge de la teoría es una simetría rota, el Bosón gauge tiene masa no nula; ejemplos de ello son los bosones W y Z. Tratando la Gravedad, descrita según la teoría de la Relatividad, como una teoría gauge, el Bosón gauge es el gravitón, partícula no masiva y de espín dos.

Se ha dejado caer un condensado de Bose-Einstein desde una altura de 146 metros repetidamente. El experimento, realizado por un equipo internacional, demuestra que este tipo de sistema cuántico tan delicado puede ser creado y analizado en condiciones de microgravedad, como el de la caída libre.

Además sugiere que un experimento similar se puede llevar a cabo en el espacio, donde se pueden poner a prueba las predicciones de la Teoría General de la Relatividad.

Hay un fenómeno que afecta a los Bosones y que se llama Condensación de Bose-Einstein, y, tal fenómeno ocurre en los sistemas macroscópicos consistente en un gran número de Bosones a temperatura suficientemente baja, en el que una fracción significativa de las partículas ocupan un único estado cuántico de energía más baja (el estado fundamental).

La condensación de Bose-Einstein sólo puede ocurrir para bosones cuyo número total es conservado en las colisiones. Debido al Principio de exclusión de Pauli es imposible que dos o más fermiones ocupen el mismo estado cuántico, por lo que no hay fenómeno análogo de condensación  para estas partículas.

La Condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 10 ̄⁷ K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio.

Como curiosidad no puede dejar de apuntar que, el efecto es llamado así en honor del físico indio Satyendra Nath Bose y de Albert Einstein

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Al principio de éste trabajo preguntaba: ¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos?, y, desde luego, me estaba refiriendo a todo el proceso publicitario del LHC y su búsqueda del llamado “Bosón de Higgs”. Antes me refería a que, la teoría electrodébil unificaba las fuerzas nucleares débiles y electromagnéticas mediante la teoría formulada por Weinberg y Salam que unificó a estas dos interacciones fundamentales tan diferentes en sus manifestaciones (por separado) a un único principio de simetría. El modo en que esta simetría gauge electrodébil queda oculta es uno de los misterios más importantes que la Física debe resolver.

La solución más comúnmente aceptada,  viene de la mano del Modelo Estándar de la Física de Partículas que formularon Higgs, Brout, Englert, Murray Gell-Mann y otros allá por los años 60. El agente de la rotura de la simetría electrodébil es un campo escalar cuyas auto-interacciones seleccionan un estado del vacío en el que la simetría electrodébil queda oculta. El mecanismo de Higgs como es normalmente conocido confiere masa a los portadores de la fuerza débil W± y Z por analogía con el efecto Meissner en superconductividad. Este mecanismo nos indica el camino hacia la masa de los quarks y leptones además de dotar de forma al mundo que nos rodea.

“Explorar el misterio del espín de los protones ha sido uno de los objetivos clave de la investigación científica en el RHIC”, dijo Steven Vigdor, Director Asociado de Laboratorio de Brookhaven para Física Nuclear y de Partículas. “Como muchos misterios científicos, éste resulta ser más complejo cuanto más aprendemos sobre el mismo. Las medidas del bosón W fueron posibles gracias a nuevas técnicas de detección en los experimentos STAR y PHENIX del RHIC y la ampliación del récord mundial de energías del RHIC para la aceleración de haces de protones con una preferencia distinta en la orientación del espín. Los resultados nos permiten resolver los detalles sutiles que antes eran inaccesibles, y deberían acercar el campo a una comprensión cuantitativa de la estructura y la dinámica del espín del protón”.

Todos esperamos que el Acelerador de Partículas protón-protón LHC produzca las primeras colisiones a la energía de 14 TeV (si es posible en este mismo año). DE momento, en los preliminares experimentos realizados, se ha explorado la escala de Fermi, es decir, el régimen de energía que corresponde a una energía de alrededor de 1 TeV, y, en los siguientes experimentos quiero recordar que se ha llegado a los 3,5 TeV que, sumados los haces de protones que circulan en distintas direcciones, llegan a los 7 TeV. Así que, uno de los objetivos principales es el de buscar el origen del mecanismo de rotura espontánea de la simetría, por lo que la búsqueda del Bosón de Higgs es un objetivo clave que debe ser cumplido en dichos experimentos.

Está claro que, el valor individual de las partículas elementales que hoy son conocidas determina muchos de los aspectos de nuestra vida cotidiana y del comportamiento y tamaño del Universo en el que vivimos.

La masa del electrón, determina la escala de longitud de nuestro mundo, a través del radio de Bohr definido como: a=1/(α_em m_e), si la masa del electrón fuese nula, no existiría siquiera el enlace atómico, si fuese por ejemplo de 0,02 MeV/c², los humanos seríamos gigantes de más de 40 metros de alto y la luz visible se encontraría en el infrarrojo, y si la masa del electrón fuese como la del muon, el siguiente leptón en la escala de masas, la captura nuclear de electrones sería energéticamente posible y prácticamente el único átomo existente sería el He. Si los Quarks no tuviesen masa, o bien  m_u = m_d, y por tanto m_p> m_n, el proceso de desintegración del protón sería posible, lo que llevaría a un procesos de nucleosíntesis completamente diferente. Los pequeños valores de la masa de los Quarks u y d dan cuenta de un importante detalle del espectro de los nucleones.

La observación, en contra de lo intuitivamente esperado de que el neutrón, neutro (udd) es 1,29 MeV más masivo que el protón, cagado, (uud)  se puede explicar por el hecho de que m_d es más grande que m_u, justo por la cantidad necesaria para compensar la mayor energía electromagnética interna del protón. Junto con la fuerza de enlace nuclear esta diferencia de masa entre el neutrón y el protón determinan la estructura de las desintegraciones radiactivas y el conjunto de los núcleos estables.

Si el Bosón W no tuviese masa, o ésta fuese mucho menor que su valor de cerca de 80,4 GeV/c², el proceso de fusión en las estrellas, y por lo tanto en nuestro Sol, p+p →D+e+ν, determinado por G_F˜ (M_W) ^-2 

El resultado de lo anterior es que se produciría un período de tiempo más corto y a menor temperatura, lo que no dejaría humanos en la Tierra. Se puede decir para resumir que los valores concretos de las masas de las partículas que conforman la materia, incluso la materia ordinaria, como el electrón y los quarks u y d, y la del W son esenciales para la creación y desarrollo del Universo.

                              El Tamaño del Universo…¿lo podemos realmente imaginar?

^{Está claro entonces que, el mecanismo de Higgs que distingue el electromagnetismo de la interacción débil es en resumen, de importancia capital para dar forma a nuestro mundo, dando cuenta de las masas de las partículas intermedias de la interacción débil, y dentro del SM proporcionando una masa a los Quarks y leptones. La comprensión de este mecanismo o de cualquier otro que explique estas propiedades, nos dará buenas herramientas para poder explicar por qué los átomos existen, cómo dichos átomos pueden formar el enlace químico, y la razón por la que las estructuras estables son posibles. La respuesta a estas cuestiones que son algunas de las más importantes que la Humanidad se ha planteado, están en la actualidad al alcance de la Física de Partículas que en ésta década que ha comenzado y con el LHC a plena disposición, será posible probar experimentos a escalas más pequeñas que}  10 ^-18 m, que previsiblemente nos llevará a comprender el mecanismo de rotura de la simetría electrodébil, para lo cual, una parte crucial es buscar el Bosón de Higgs para comprobar y medir todas sus propiedades.

Si todo esto es posible, y definitivamente nos lleva a comprender el funcionamiento de la rotura espontánea de la simetría es un agente escalar elemental como ocurriría en el SM, sería la primera partícula de este tipo conocida experimentalmente. Entender su comportamiento nos podría llevar a nuevas ideas acerca de la dinámica del Universo en sus primeros momentos de “vida”, y, ¿por qué no? También nos podría situar ante el origen de la energía oscura.

      En el contexto de la Naturaleza, ¿qué somos?

Todo esto es fascinante y, desde luego, nos introduce en un mundo desconocido y misterioso que, en lo más profundo de la Naturaleza, tiene escondidas las respuestas que buscamos para poder saber, de una vez por todas, como es nuestro mundo, en qué clase de Universo estamos, y, sobre todo, el por qué desconocemos muchas de las cosas que ocurren a nuestro alrededor y de las que no podemos dar una respuesta coherente y cierta, ya que, nuestra enorme ignorancia, nos mantiene alejados de esos misteriosos secretos de la materia que, de momento, nadie ha sabido explicar.

Esperemos que, en unos pocos años se puedan despejar muchas de estas dudas y nos podamos situar a un nivel que, desde luego, hará mucho más fácil conocer el camino que tenemos que tomar para dirigirnos a un puerto seguro de nuestro futuro.

emilio silvera

Así representan algunos como sería el camino para burlar la velocidad de la luz y desplazarnos por el espaciotiempo a distancias inmensas en tiempos y espacios más cortos. Es el famoso agujero de gusano o el doblar el espacio trayendo hacia tí el lugar que deseas visitar.

Hay que entender que el espacio–tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo. De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como lo son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio–tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio–tiempo se denomina por el nombre de línea de universo. La relatividad general nos explica lo que es un espacio–tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

Los moelos de universo que pudieran ser, en función de la Densidad Crítica (Ω) sería plano, abierto o cerrado. La Materia tiene la palabra.

La curvatura del espacio–tiempo es la propiedad del espacio–tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio–tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el universo, y nos dice que el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o galaxias (entre otros).

En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es, en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

Los Modelos Cosmológicos son variados y todos, sin excepción, nos hablan de una clase de universo que está conformado en función de la materia que en él pueda existir, es decir, eso que los cosmólogos llaman el Omega negro. La Materia determinará en qué universo estamos.

En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedmann, la curvatura de espacio–tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson–Walker. Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio–tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto. Un universo de Einstein–de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.

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La geometría del espacio-tiempo en estos modelos de universos está descrita por la métrica de Robertson-Walker y es, en los ejemplos precedentes, curvado negativamente, curvado positivamente y plano, respectivamente (Alexander AlexandrovichFriedmann). Y, las tres epresentaciones gráficas de los espacios que dan lugar a los tres posibles formas de universo antes referida en función de la densidad crítica que hará un universo plano, un universo abierto o un universo curvo y cerrado.

Hemos mencionado antes la relatividad del tiempo que para el mismo suceso será distinto en función de quién sea el que cronometre; por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio para el astronauta que en nave espacial viaja a velocidades próximas a c, la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, en el caso antes señalado, el tiempo del astronauta viajero avanza más lentamente en un factor que denotamos con la ecuación , cuando lo mide un sistema de referencia que viaja a una velocidad v relativa al otro sistema de referencia; c es la velocidad de la luz. Este principio ha sido verificado de muchas maneras; por ejemplo, comparando las vidas medias de los muones rápidos, que aumentan con la velocidad de las partículas en una cantidad predicha en este factor de la anterior ecuación.

Un ejemplo sencillo de la dilatación del tiempo es la conocida paradoja de los gemelos. Uno viaja al espacio y el otro lo espera en la Tierra. El primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa. Cuando baja de la nave espacial, tiene 8’6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, al regreso de su hermano, era ya un  anciano jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero. Parece mentira que la velocidad con la que podamos movernos nos puedan jugar estas malas pasadas.

Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E = mc², que nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.

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Durante diez dias del mes de enero de 1999 astrofísicos italianos y estadounidenses efectuaron un experimento que llamaron Boomerang. El experimento consistió en el lanzamiento de un globo con instrumentos que realizó el mapa mas detallado y preciso del fondo de radiación de microondas (CMB) obtenido hasta el momento. Su conclusión: el universo no posee curvatura positiva o negativa, es plano.

La densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión de nuestro universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo al que antes nos referimos conocido como de Einstein–de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

Mencionamos ya la importancia que tiene para diseñar un modelo satisfactorio del universo, conocer el valor de la masa total de materia que existe en el espacio. El valor de la expansión o de la contracción del universo depende de su contenido de materia. Si la masa resulta mayor que cierta cantidad, denominada densidad crítica, las fuerzas gravitatorias primero amortiguarán y luego detendrán eventualmente la expansión. El universo se comprimirá en sí mismo hasta alcanzar un estado compacto y reiniciará, tal vez, un nuevo ciclo de expansión. En cambio, si el universo tiene una masa menor que ese valor, se expandirá para siempre. Y, en todo esto, mucho tendrá que decir “la materia oscura” que al parecer está oculta en alguna parte.

                                                  Aquí se ha querido significar la materia oscura en azul

Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm³), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29 g/cm³, o 10^-5 átomos/cm³, ya que el universo está formado casi exclusivamente de espacios vacíos, virtualmente vacíos, entre las galaxias. La densidad media es la que determinará si el universo se expandirá o no para siempre.

No dejamos de enviar ingenios al espacio para tratar de medir la Densidad Crítica y poder saber en qué clase de universo nos encontramos: Plano, cerrado o abierto.

En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio–tiempo, eso que conocemos como gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

Todos conocemos la teoría de Einstein y lo que nos dice que ocurre cuando grandes masasd, como planetas, están presentes: Curvan el espacio que lo circundan en función de la masa. En la imagen se quiere representar tal efecto.

En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el universo, de hacer posible que existan las galaxias, los sistemas solares y que nosotros mismos tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad tira de nosotros para que así sea.

Un sistema solar en el que los planetas aparecen cohexionados alrededor del cuerpo mayor, la estrella. Todos permanecen unidos gracias a la fuerza de Gravedad que actúa y los sitúa a las adecuadas distancias en función de la masa de cada uno de los cuerpos planetarios.

No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

No pocas veces hemos querido utilizar la fuerza electromagnética para crear escudos a nuestro alrededor, o, también de las naves viajeras, para evitar peligros exteriores o ataques. Es cierto que, habiéndole obtenido muchas aplicaciones a esta fuerza, aún nos queda mucho por investigar y descubrir para obtener su pleno rendimiento.

La gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

Se denomina cuerpo negro a aquel cuerpo ideal que es capaz de absorber o emitir toda la radiación que sobre él incide. Las superficies del Sol y la Tierra se comportan aproximadamente como cuerpos negros.

Por haberlo mencionado antes me veo obligado a explicar brevemente el significado de “cuerpo negro”, que está referido a un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tiene, por tanto, una absortancia y una emisividad de 1. Mientras que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la distribución de energía sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumento de temperaturas (ley de desplazamiento de Wien).

Existen en el Universo configuraciones de fuerzas y energías que aún no podemos comprender. La vastedad de un Universo que tiene un radio de 13.700 millones de años, nos debe hacer pensar que, en esos espacios inmensos existen infinidad de cosas y se producen multitud de fenómenos que escapan a nuestro entendimiento. Son fuerzas descomunales que, como las que puedan emitir agujeros negros gigantes, estrellas de neutrones magnetars y explosiones de estrellas masivas en supernovas que, estando situadas a miles de millones de años luz de nuestro ámbito local, nos imposibilita para la observación y el estudio a fondo y sin fisuras, y, a pesar de los buenos instrumentos que tenemos hoy, siguen siendo insuficientes para poder “ver” todo lo que ahí fuera sucede.

¡El Universo! Todo lo que existe.

emilio silvera

Aurora boreal

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.

Las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire.

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 cera del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

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.

En 1930, 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.

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.

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.

                                                                               El Universo está lleno de electrones por todas partes

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.

                 Para el hombre de la calle la idea de antimateria es enigmática, posiblemente misteriosa e incomprensible pero, ahí está.

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.

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.

Materia y antimaria que se encuentran

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.

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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.

El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1.934, 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. El tritio se descompone por desintegración beta. Puesto que una partícula beta es idéntica a un electrón, podemos escribir:

Como es mi costumbre, me desvío del tema y sin poderlo evitar, mis ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos. Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo un fugaz recuerdo; lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar. Así, en este caso, me pasé a la química, que también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física; de hecho son hermanas: la madre, las matemáticas, la única que finalmente lo podrá explicar todo.

Estamos hablando de las partículas y no podemos dejar a un lado el tema del movimiento rotatorio de las mismas. Usualmente se ve cómo la partícula gira sobre su eje, a semejanza de un trompo, o como la Tierra o el Sol, o nuestra galaxia o, si se me permite decirlo, como el propio universo. En 1.925, los físicos holandeses George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit aludieron por primera vez a esa rotación de las partículas. Éstas, al girar, generan un minúsculo campo electromagnético; tales campos han sido objeto de medidas y exploraciones, principalmente por parte del físico alemán Otto Stern y el físico norteamericano Isaac Rabi, quienes recibieron los premios Nobel de Física en 1.943 y 1.944 respectivamente, por sus trabajos sobre dicho fenómeno.

Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en números mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1.926, por Fermi y Dirac; por ello, se las llama y conoce como estadísticas Fermi-dirac. Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son bosones, como por ejemplo la partícula alfa.

A bajas temperaturas los bosones tienden a tener un comportamiento cuántico similar que puede llegar a ser idéntico a temperaturas cercanas al cero absoluto en un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein.

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

Los bosones tienen un momento angular nh/2π, donde n es 0 o un entero, y h es la constante de Planck. Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado 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 / 2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica. La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

Recordemos aquí que las partículas se dividen en dos tipos, los fermiones, que tienen spin semientero y responden a la estadística de Fermi-Dirac, y los bosones, de spin entero y que responden a la estadística de Bose-Einstein. Los fermiones sufren el principio de exclusión y, por tanto, tienen tendencia a “huir” unas de otras. Metafóricamente se comportan un poco como personas en el metro o en un ascensor, colocándose a la máxima distancia unas de otras. Los bosones son, sin embargo, más amistosos entre ellos, al no sufrir el principio de exclusión, y optan todos por formar una única entidad en el mismo estado cuántico: el condensado de Bose-Eisntein.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos, la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

El principio de exclusión de Pauli introduce el acoplamiento entre las variables espaciales y de spin del electrón como la única forma de expresar el carácter antisimétrico de las funciones de onda y que sea imposible que dos partículas del sistema tengan las mismas funciones de onda (o estado), lo que violaría la precondición de indistinguibilidad de las partículas.

Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado 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. 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, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo forma  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 forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón 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 como 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 para formar la antimateria, de la misma forma 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. Desde 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.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1965

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

No parece que dichas observaciones fuesen un éxito. ¿Es posible que el universo esté formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? Dado que la materia y la antimateria son equivalente en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaría la otra, y el universo debería estar compuesto de iguales cantidades de la una y de la otra.

Este es el dilema. La teoría nos dice que debería haber allí antimateria, pero las observaciones lo niegan, no lo respaldan. ¿Es la observación la que falla? ¿Y qué ocurre con los núcleos de las galaxias activas, e incluso más aún, con los quásares? ¿Deberían ser estos fenómenos energéticos el resultado de una aniquilación materia-antimateria? ¡No creo! Ni siquiera ese aniquilamiento parece ser suficiente, y los astrónomos prefieren aceptar la noción de colapso gravitatorio y fenómenos de agujeros negros, como el único mecanismo conocido para producir la energía requerida.

emilio silvera