Las leyes que gobiernan el mundo físico tienen dos características importantes: muchas leyes de la naturaleza permanecen inalterables, no se alteran cuando cambia la escala, pero hay otros fenómenos, tales como una vela encendida o las gotas de agua, que no cambian del mismo modo. La implicación final es que el mundo de los objetos muy pequeños será completamente diferente del mundo ordinario.

El producto de la incertidumbre en la posición de una partícula y la incertidumbre en su momento nunca puede ser inferior a la mitad de la constante de Planck reducida: Δ x Δ p ≥ ℏ / 2 . Δ x Δ p ≥ ℏ / 2 . Esta relación expresa el principio de incertidumbre de Heisenberg.

En 1928 Dirac se propuso encontrar la ecuación del electrón libre relativista, porque la ecuación de Schrödinger no cumplía con los requisitos de la teoría de Einstein¹, es decir, no trataba por igual espacio y tiempo, y no incorporaba la energía en reposo (el famoso E=mc²). Además de eso no explicaba el espín, una propiedad fundamental de las partículas sin equivalencia clásica, pero que separa la naturaleza en dos familias totalmente distintas: bosones (como el fotón, de espín entero) y fermiones (como el electrón, de espín semientero). Para los que no sois físicos el espín os resultará una tontería pero debéis saber que es tan importante que las fuerzas de la naturaleza se transmiten sólo por bosones, mientras que las partículas más elementales están formadas sólo por fermiones.

La Ecuación

siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz p el operador de momento, ℏ la constante reducida de Planck, x y t las coordenadas del Espacio y el Tiempo, respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a un vector que cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes, y no como un simple escalar, debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac. Hay más de una forma de escoger un conjunto de matrices de Dirac; un criterio práctico es:

La ecuación de Dirac es una ecuación de ondas relativista de la mecánica cuántica formulada por Paul Dirac en 1928. Da una descripción de las partículas elementales con masa de espín 1/2 como el electrón, y es consistente con los principios de la mecánica cuántica y de la teoría de la relatividad especial, explicando de forma natural la existencia del espín y de las antipartículas. Sin embargo, es sólo una aproximación a la electro dinámica cuántica que describe la interacción de partículas cargadas mediante interacciones eléctricas.

 

 

La ecuación de Schrödinger independiente del tiempo predice que las funciones de onda pueden tener la forma de ondas estacionarias, denominados estados estacionarios (también llamados “orbitales”, como en los orbitales atómicos o los orbitales moleculares).

La función de onda de Schrödinger es un constructo matemático, que no representa una realidad física, asociada a una partícula libre, de energía y momento , que se mueve con velocidad , el cual, multiplicada con su conjugada, nos da la función de probabilidad de encontrar una partícula en determinado punto del espacio tiempo.

Schrödinger sugirió que el movimiento de los electrones en el átomo correspondía a la dualidad onda-partícula y, en consecuencia, los electrones podían moverse alrededor del núcleo como ondas estacionarias.

La función de onda en la mecánica cuántica se puede considerar como una representación del estado de movimiento discontinuo aleatorio de las partículas, y en un nivel más profundo, puede representar la propiedad disposicional de las partículas que determina su movimiento discontinuo aleatorio.

 

 

Ahora tendríamos que hablar algo de la mecánica cuántica y, en ese ámbito, las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que resultaría realmente difícil refutarlas. Acordaos de los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisenberg, Paul Dirac, o, Schrödinger que vinieron a mejorar y completar  las reglas generales. Sin embargo, algunos de aquellos pioneros (Einstein y el mismo Schrödinger), sin embargo, presentaron serias objeciones a dicha interpretación de la naturaleza de lo muy pequeño.

Resuelta la ecuación, con ayuda de Weyl, Schrödinger obtuvo el espectro del átomo de hidrógeno, partes discreta y continua, para lo que añadió la condición  a largas distancias.

Esta cosita tan pequeñita, el electrón,  es inversamente proporcional en importancia para que el mundo, la Naturaleza, y,  nuestro Universo sea como es. Se ha conseguido fotografiar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash). La imagen de la izquierda es el resultado.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorentz–Dirac.

Muchas veces hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; tiene una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero, el del hidrógeno que está formado por un solo protón. La importancia del electrón es vital en el universo.

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 1.000 ºC 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 Electrón como Onda y partícula

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?

      Superposición cuántica

La notable capacidad de un electrón de existir en dos lugares al mismo tiempo ha sido controlada en el material electrónico más comun el – silicio – por primera vez, siendo este un gran avance para la electrónica moderna y tiene un potencial enorme para el futuro y para la creación de la computadora cuántica.

Imagen: El movimiento de los electrones en el silicio. El electrón gira alrededor de una átomo de fósforo embebido en la estructura cristalina del silicio, que se muestra en plata. La distribución de densidad electrónica no perturbado, a partir de la ecuaciones de la mecánica cuántica del movimiento se muestra en amarillo. Un pulso de láser de electrones puede modificar el estado de manera que tiene la distribución de la densidad se muestra en verde. Nuestro pulso láser en primer lugar, que llegan desde la izquierda, pone el electrón en una superposición de ambos estados, que podemos controlar con un segundo impulso, también desde la izquierda, para dar un pulso que se detecte que, saliendo a la derecha. Las características de este “eco” del pulso nos hablan de la superposición que hemos hecho.

Cuando podamos dominar el “universo” de lo muy pequeño… ¡Nuestro Universo será otro para nosotros!

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.

        Sí, la música influye en el cerebro

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.

Aunque la semilla la puso Planck en 1900, fue a partir de 1930 cuando la mecánica cuántica se aplicó con mucho éxito a problemas relacionados con núcleos atómicos, moléculas y materia en estado sólido. La mecánica cuántica hizo posible comprender un extenso conjunto de datos, de otra manera enigmáticos. Sus predicciones han sido de una exactitud notable. Ejemplo de esto último es la increíble precisión de diecisiete cifras significativas del momento magnético del electrón calculadas por la EDC (Electrodinámica Cuántica) comparadas con el experimento.

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones,  que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón  (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 10⁶ electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 10⁶ (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

     Sí, las reglas de la mecánica cuántica son extrañas y misteriosas, pero… ¿Las vamos entendiendo?

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.

Hablar de Mecánica Cuántica es como hacerlo de la Quinta (la Cuarta es el Tiempo) Dimensión

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.

  ¿Ganaré algún día esa lotería que me quite de trabajar por necesidad?

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.

Por primera vez, se observa la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen en un sistema de muchas partículas

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.

Bueno, a todo esto, una cosa sí que nos queda clara, como la posibilidad asombrosa de nuestras Mentes a germinar ideas que salen bulliciosas al mundo. No todas llegan a su destino. Sin embargo, las que lo hacen, marcan un hito y nos señalan el camino a seguir en ese largo viaje (en realidad interminable -nunca podremos saberlo todo sobre todas las cosas-), a la búsqueda del saber del Mundo y del Universo en fin.

Emilio Silvera Vázquez

[?]

La radiación electromagnética es el producto de la variación periódica de los campos eléctrico y magnético. Un campo es una región del espacio en la que la materia está sometida a algún tipo de fuerza. En el caso de la radiación electromagnética, los campos son producidos por las partículas cargadas en movimiento. La luz visible es un tipo de radiación electromagnética. A veces se comporta como una onda que se propaga en el espacio, y otras veces se comporta como un conjunto de fotones. A este fenómeno se le denomina dualidad de la radiación.

Los distintos tipos de radiación electromagnética dependen directamente de las características de la onda, que son: frecuencia, longitud de onda y amplitud o intensidad. En realidad, como veremos a continuación, la frecuencia y la longitud de onda están directamente relacionadas, por lo que para describir completamente una onda, (la radiación electromagnética en nuestro caso) basta con dar información acerca de su amplitud y frecuencia (o longitud de onda). Las ondas electromagnéticas transportan energía siempre a la misma velocidad en el vacío: 299792 kilómetros por segundo, lo que se conoce como velocidad de la luz (c).

No todas las formas de  radiación electromagnética pueden ser captadas por el ojo humano que sólo puede ver la que se nos aparece en forma de luz visible y de la cual depende nuestra consciencia visual del universo y sus contenidos. La Relatividad Especial nos dice que es precisamente  la luz 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, aunque algunos se empeñen en querer quitarle esa primacía.

“El empuje warp, empuje por curvatura impulso de deformación o impulso de distorsión es una forma teórica de propulsión superlumínica. Este empuje permitiría propulsar una nave espacial a una velocidad equivalente a varios múltiplos de la velocidad de la luz, mientras se evitan los problemas asociados con la dilatación relativista del tiempo.”

La velocidad de la luz en el vacío es un límite que impone el Universo, nunca lo podremos superar. Sin embargo, es posible que con el paso del tiempo y el avance de los conocimientos tecnológicos, se pueda inventar la manera de “burlar” ese límite, no superarlo.

¿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?. Bueno,  unos “científicos” de los que no recuerdo sus nombres, así lo han declarado. Sin embargo, si la velocidad de la luz puede ser superada, antes de que dicha proeza la puedan conseguir los hombres, creo que, si tal cambio de una constante natural llegara a producirse, sólo podría venir de cambios producidos en la misma Naturaleza, y, por nuestra parte, no podremos nunca superar la velocidad de la luz pero, sí podremos burlarla encontrando otros caminos hacia mundos y estrellas lejanos en remotas regiones del Universo.

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.

¡El Tiempo transcurre inexorable, nada puede evitar que, como luciérnagas o gotas de agua, se escurra entre los “dedos” de nuestras efímeras vidas.

No es nada fácil dar una definición del tiempo, los intentos de hacerlo terminan a menudo dando vueltas y vueltas hasta llegar al punto de partida.  Sin ir más lejos, en un trabajo mío 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 vista. 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. Sin embargo y pese a mi esfuerzo por esbozar una imagen escenificando lo que el Tiempo es… ¡No lo conseguí! Al igual que los mejores filósofos, fracasé en el intento y, la explicación es fácil: Nadie puede dar razón de algo que no conoce.

La precisión alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30 000 000 años. El reloj más preciso del mundo se diseña en el Observatorio de París, donde los actuales relojes atómicos tardarían 52 millones de años para desfasarse un segundo. El nuevo objetivo de la investigación francesa es aumentar ese plazo a 32 000 millones de años. El estándar actual de los relojes atómicos en activo permite el atraso de un segundo cada 3700 millones de años (NIST).

 En aquella ocasión, entre otras muchas cosas, hablé 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.

La ilusión de la fuente de la juventud que muchos han querido encontrar. NO existen los espejos mágicos

La fuente de la juventud, símbolo de la inmortalidad, es una legendaria fuente que supuestamente cura y devuelve la juventud a quienquiera que beba de sus aguas o se bañe en ellas.

Durante milenios, el sueño de hechiceros, magos y alquimistas ha sido el de encontrar el elixir de la eterna juventud. Y leyendas llegadas de los rincones de la tierra hablan de ríos, fuentes, árboles, frutos y pócimas con poderes para rejuvenecernos.

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 esa suerte pero, a pesar de ello, no es eterna como tantos esperaban. La “eternidad” no existe. Si acaso, en alguna circunstancia el paso del Tiempo se podría retrasar.

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.

Muones lanzados a la velocidad de la luz que aumentan su masa

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.

Cadena de aceleradores
del Gran Colisionador de Hadrones (LHC)

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.

La velocidad de la luz en el vacío (c), será siempre un muro infranqueable

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.

¿Qué dónde está el truco?

 Este movimiento no implica cambio alguno al no ser relativista, es un simple desplazamiento de lugar, la masa de la persona sigue siendo la misma.

Bueno, el que los muones en movimiento vivan 10 veces más tiempo que los muones en reposo se debe precisamente a que el movimiento “muy rápido” 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.En nuestras vidas cotidianas en las que nos movemos con velocidades muy pequeñas comparadas con la de la luz, el tiempo transcurre de manera normal que, será rápido o lento en función de las circunstancias personales de cada uno de nosotros.

                                          El Tiempo vuela

         El Tiempo se hace eterno si hay dolor mientras que, en la felicidad es efímero

    ¡La que formó el buen hombre! Entró en la Física como elefante en cacharrería

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

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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 jubilado, 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.

Nos tendríamos que preguntar ¿Por qué el Tiempo transcurre más rápido en el Espacio que en la Tierra

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 cierto de que transcurría más 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-Rosen pero, ¿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.

Esquema sobre la contracción de Lorentz. (X′,cT′) representan las coordenadas de un observador en reposo a una barra, mientras que (X,cT) son las coordenadas de otro observador con respecto a dicha barra, por la naturaleza pseudoeuclídea del espacio-tiempo aun cuando el primer observador mide una longitud l, el segundo mide una longitud menor l/γ < l.

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).

              Efímeros momentos… ¡La Eternidad no existe!

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 abajo: MACS J0717.

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.

La constante de estructura fina de Sommerfeld (símbolo α) es la constante física fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado

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 alcanzar en nuestro Universo. ¿Será posible? ¿Cómo algunos no piensan antes de hablar?

Emilio Silvera Vázquez

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Una vez que se ha puesto orden entre las numerosas especies de partículas, se puede reconocer una pauta. Igual que Dimitri Ivanovich Mendeleev descubrió el sistema periódico de los elementos químicos en 1869, así también se hizo visible un sistema similar para las partículas. Esta pauta la encontraron independientemente el americano Murray Gell-Mann y el israelí Yuval Ne’eman. Ocho especies de mesones, todos con el mismo espín, u ocho especies de bariones, con el mismo espín, se podían reagrupar perfectamente en grupos que llamaremos multipletes. El esquema matemático correspondiente se llama SU(3). Grupletes de ocho elementos forman un octete “fundamental”. Por esta razón Gell-Mann llamó a esta teoría el “óctuplo camino”. Lo tomó prestado del budismo de acuerdo con el cual el camino hacia el nirvana es el camino óctuplo.

               Rueda del dharma

El dharma chakra (o “rueda del darma”, “rueda de la ley”) es un símbolo que representa al dharma (‘ley’ o ‘religión’), en el hinduismo, el budismo​ y el jainismo. Ocasionalmente se traduce como ‘rueda de doctrina’. El dharmachakra o rueda del dharma.

El Noble Camino Óctuple es considerado, según el budismo, como la vía que lleva al cese del sufrimiento. Este cese del sufrimiento se conoce como nirvana. Puede ser que eso fuese lo que sintiera Gell-Mann al finalizar sus trabajos, y, de ahí la adopción del nombre y todo lo que lleva consigo de simbología.

El noble camino es una de las enseñanzas budistas fundamentales; la cuarta parte de las Cutro Nobles Verdades. En la simbología budista, el noble camino es usualmente representado con la rueda del dharma, donde cada rayo representa un elemento del sendero. Este símbolo también se utiliza para el budismo en general.

Los elementos del noble camino óctuple se subdividen en tres categorías básicas: sabiduría, conducta ética y entrenamiento de la mente (o meditación); para rehabilitar y desacondicionar la mente. En todos los elementos del noble camino, la palabra «correcta» es una traducción de la palabra “sammā” (en pali), que significa ‘plenitud’, ‘coherencia’, ‘perfección’ o ‘ideal’. El noble camino es: Sabiduría.

Pero sigamos con el trabajo.

Las matemáticas SU(3) también admiten multipletes de diez miembros. Cuando se propuso este esquema se conocían nueve bariones con espín 3/2. Los esquemas SU(3) se obtienen al representar dos propiedades fundamentales de las partículas, la extrañeza S frente al iso-espín I₃ , en una gráfica.

Primera observación de un neutrino en una cámara de burbujas, noviembre de 1970. El neutrino incidente golpea un protón (a la derecha en la foto). El neutrino se transforma en un leptón mu (la larga traza en medio de la foto). La traza corta es el protón. La tercera traza es de un mesón pi.

Arriba dos imágenes de trazas en la cámara de burbujas del primer evento observado incluyendo bariones Ω, en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Dependiendo de su masa y tamaño las partículas producen distintos remolinos en la cámara de burbujas.

De esta manera, Gell-Mann predijo un décimo barión, el omega-menos (Ω¯), y pudo estimar con bastante precisión su masa porque las masas de los otros nueve bariones variaban de una forma sistemática en el gráfico (también consiguió entender que las variaciones de la masa eran una consecuencia de una interacción simple). Sin embargo, estaba claro que la Ω¯, con una extrañeza S = -3, no tenía ninguna partícula en la que desintegrarse que no estuviera prohibida por las leyes de conservación de la interacción fuerte. De modo que, la Ω¯ sólo podía ser de tan sólo 10¯²³ segundos como los demás miembros del multiplete, sino que tenía que ser del orden de 10¯¹⁰ segundos. Consecuentemente, esta partícula debería viajar varios centímetros antes de desintegrarse y esto la haría fácilmente detectable. La Ω¯ fue encontrada en 1964 con exactamente las mismas propiedades que había predicho Gell-Mann.

Se identificaron estructuras multipletes para la mayoría de los demás bariones y mesones y Gell-Mann también consiguió explicarlas. Sugirió que los mesones, igual que los bariones, debían estar formados por elementos constitutivos “más fundamentales aún”. Gell-Mann trabajaba en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena (CalTech), donde conversaba a menudo con Richard Feynman. Eran ambos físicos famosos pero con personalidades muy diferentes. Gell-Mann, por ejemplo, es conocido como un entusiasta observador de Pájaros, familiarizado con las artes y la literatura y orgulloso de su conocimiento de lenguas extranjeras.

A comienzos de los años sesenta, un profesor del Instituto de Tecnología de California (Caltech) imparte un curso completo de física ante una cada día más numerosa. Su nombre: Richard Feynman

Feynman fue un hombre hecho a sí mismo, un analista riguroso que se reía de cualquier cosa que le recordara la autoridad establecida. Hay una anécdota que parece no ser cierta de hecho, pero que me parece tan buena que no puedo evitar el contarla; podía haber sucedido de esta forma. Gell-Mann le dijo a Feynman que tenía un problema, que estaba sugiriendo un nuevo tipo de ladrillos constitutivos de la materia y que no sabía qué nombre darles. Indudablemente debía haber de haber pensado en utilizar terminología latina o griega, como ha sido costumbre siempre en la nomenclatura científica. “Absurdo”, le dijo Feynman; “tú estás hablando de cosas en las que nunc ase había pensado antes. Todas esas preciosas pero anticuadas palabras están fuera de lugar. ¿Por qué no los llamas simplemente “shrumpfs”, “quacks” o algo así?”.

Los pequeños componentes de la materia ordinaria

Cuando algún tiempo después le pregunté a Gell-Mann, éste negó que tal conversación hubiera tenido lugar. Pero la palabra elegida fue quark, y la explicación de Gell-Mann fue que la palabra venía de una frase de Fynnegan’s Wake de James Joyce; “¡Tres quarks para Muster Mark!”. Y, efectivamente así es. A esas partículas les gusta estar las tres juntas. Todos los bariones están formados por tres quarks, mientras que los mesones están formados por un quark y un anti-quark.

Los propios quarks forman un grupo SU(3) aún más sencillo. Los llamaremos “arriba (u)”, “abajo” (d), y “extraño” (s). Las partículas “ordinarias” contienen solamente quarks u y d. Los hadrones “extraños” contienen uno o más quarks s (o antiquarks ŝ).

La composición de quarks de espín 3/2 se puede ver en cualquier tabla de física.. La razón por la que los bariones de espín ½ sólo forman un octete es más difícil de explicar. Está relacionada con el hecho de que en estos estados, al menos dos de los quarks tienen que ser diferentes unos de otros.

Junto con los descubrimientos de los Hadrones y de sus componentes, los Quarks, durante la primera mitad del sigo XX, se descubrieron otras partículas. Los Hadrones forman dos ramas, los mesones formados por dos quarks y los bariones por tres.

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          La Mecánica cuántica es muy extraña

Realmente, la idea de que los hadrones estuvieran formados por ladrillos fundamentales sencillos había sido también sugerida por otros. George Zweig, también en el Cal Tech, en Pasadena, había tenido la misma idea. Él había llamado a los bloques constitutivos “ases!, pero es la palabra “quark” la que ha prevalecido. La razón por la que algunos nombres científicos tienen más éxito que otros es a veces difícil de comprender.

Pero en esta teoría había algunos aspectos raros. Aparentemente, los quarks (o ases) siempre existen en parejas o tríos y nunca se han visto solos. Los experimentadores habían intentado numerosas veces detectar un quark aislado en aparatos especialmente diseñados para ello, pero ninguno había tenido éxito.

Loa quarks –si se pudieran aislar- tendrían propiedades incluso más extrañas. Por ejemplo, ¿Cuáles serían sus cargas eléctricas? Es razonable suponer que tanto los quarks u como los quarks s y d deban tener siempre la misma carga. La comparación de la tabla 5 con la tabla 2 sugiere claramente que los quarks d y s tienen carga eléctrica -1/3 y el quark u tiene carga +2/3. Pero nunca se han observado partículas que no tengan carga múltiplo de la del electrón o de la del protón. Si tales partículas existieran, sería posible detectarlas experimentalmente. Que esto haya sido imposible debe significar que las fuerzas que las mantienen unidas dentro del hadrón son necesariamente increíblemente eficientes.

Todos sabemos que los Leptones son: El electrón, el muón y la partícula Tau y, cada una de ellas tiene su tipo de neutrino: el electrónico, el muónico y el tauónico.

Aunque con la llegada de los quarks se ha clarificado algo más la flora y la fauna de las partículas subatómicas, todavía forman un conjunto muy raro, aún cuando solamente unas pocas aparezcan en grandes cantidades en el universo (protones, neutrones, electrones y fotones). Como dijo una vez Sybren S. de Groot cuando estudiaba neutrinos, uno realmente se enamora de ellos. Mis estudiantes y yo amábamos esas partículas cuyo comportamiento era un gran misterio. Los leptones, por ser casi puntuales, son los más sencillos, y por tener espín se ven afectados por la interacción que actúa sobre ellos de forma muy complicada, pero la interacción débil estaba bastante bien documentada por entonces.

Los hadrones son mucho más misteriosos. Los procesos de choque entre ellos eran demasiado complicados para una teoría respetable. Si uno se los imagina como pequeñas esferas hachas de alguna clase de material, aún quedaba el problema de entender los quarks y encontrar la razón por la que se siguen resistiendo a los intentos de los experimentadores para aislarlos.

Emilio Silvera Vázquez

Si queréis saber más sobre el tema, os recomiendo leer el libro Partículas de Gerard ´t Hooft

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