Presentado en la XIX Edición del

Siempre andamos a vueltas con las teorías, y, tenemos que ser conscientes que las teorías tienen unos límites que están bien determinados. Veamos:

Longitud de Planck: valor = 1.616255(18)×10⁻³⁵ m⁷.

Masa de Planck:    valor = 2.176434(24)×10⁻⁸ kg.

Tiempo de Planck:   valor = 5.391247(60)×10⁻⁴⁴ s.

Temperatura de Planck:   valor = 1.416784(16)×10³² K.

Planck consideró sólo las unidades basadas en las constantes universales G, h, c, y kB para llegar a unidades naturales para longitud, tiempo, masa y temperatura. Sus definiciones difieren de las modernas en un factor de 2π, porque las definiciones modernas utilizan ℏ en lugar de h

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Y precisamente esta constante es el segundo motivo por el que no encuentras los muebles en una posición diferente cada vez que entras en el salón.

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33 centímetros, más joven que el tiempo de Planck 10ˉ⁴³ segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

La Gravedad Cuántica, el eslabón perdido para comprender la evolución del Universo. Los físicos teóricos la han encontrado, ellos saben que dicha teoría subyace en la Teoría de Supercuerdas que, desgraciadamente, es inverificable… ¡Por el momento! Se cree que llegar hasta las cuerdas requeriría disponer de la energía de Planck (10¹⁹ GeV).

Siendo cierto que en la actualidad no podemos verificar la Teoría de cuerdas, también lo es que, según todos los indicios, en esa Teoría puede subyacer esa otra Teoría Cuántica de la Gravedad, todos sabemos que cuando se juntan la Cuántica de Planck y la Gravedad de Einstein… ¡Aquello hecha chispas! Surgen los infinitos que no se pueden re-normalizar.

Resulta que, cuando los teóricos de las cuerdas trabajan con las ecuaciones de campo de esa teoría, sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad General, ¡por qué será?  El viejo Einstein, socarrón, con su cachimba entre los dientes, allá donde se pueda encontrar, estará sonriendo atento a lo que vendrá.

Sí, al ,menos se cree que, el límite de la información está en el horizonte de sucesos de un agujero negro, donde se pierde de forma permanente.

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.

La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

      Representación gráfica de la obtención experimental de la constante de Planck

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10^-66 cm².  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias. Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_protón.

Desde el vuelo del colibrí, hasta u huracán, erupción volcánica, un Tsunami… 0, un embarazo… ¡Todo es energía!

En nuestro Universo todo es energía y el resultado de dos fuerzas contrapuestas que, al ser iguales en potencia, equilibran el todo y hace posible la estabilidad que podemos contemplar en las estrellas y en los átomos.

La Constante física que carece de dimensiones, es decir, un número puro sin unidades asociadas, eso es, una constante adimensional.  Su valor numérico es independiente del sistema de unidades que se utilice.  Un amuestra es el número 137, el de Alfa, la Constante de estructura fina.

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro. Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los …

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

Para poner un ejemplo de nuestra ignorancia poco tendríamos que buscar, tenemos a mano miles de millones.

Hablamos de portales cuánticos, fluctuaciones de vacío… Cuerdas y de Taquiones pero…

Un gran Físico nos decía:

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben. En el cartel sólo pondría esto: 137. Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”.

 

 

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba. La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón, por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck. Tanta palabrería y numerología no significan otra cosa sino que ese solo numero, 137, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón, e^–), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y la teoría cuántica (la constante de Planck, h).

¡Sabemos tan poco! ¡Son tantas las preguntas que no tienen respuestas! Pocas dudas nos podrían caber si nos propusieran cambiar, todo lo que sabemos por la mitad de lo que ignoramos. Y, como decía el sabio:

“Cuanto más profundizo en el saber de las cosas, más consciente soy delo poco que se. Mis conocimientos son limitados, mi ignorancia infinita.”

Sócrates lo simplificaba con su: “Solo se que no se nada!.

Emilio Silvera Vázquez

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Sir William Crookes

Hacia principios del siglo pasado, se hicieron una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento de secretos que permanecen muy bien guardados por la Naturaleza. El inglés William Crookes, logró disociar del uranio una sustancia cuya ínfima cantidad resultó ser mucho más radiactiva que el propio uranio. Apoyándose en su experimento, afirmó que el uranio no tenía radiactividad, y que ésta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denomino “uranio X”. Por otra parte, Henri Becquerel descubrió que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquiría mayor radiactividad con el tiempo, por causas desconocidas. Si se dejan reposar durante algún tiempo, se podía extraer de él repetidas veces uranio activo X. Para decirlo de otra manera: por su propia radiactividad, el uranio se convertía en el uranio X, más activo aún

Por entonces, Rutherford, a su vez, separó del torio un “torio X” muy radiactivo, y comprobó también que el torio seguía produciendo más torio X. Hacia aquellas fechas se sabía ya que el más famoso de los elementos radiactivos, el radio, emitía un gas radiactivo, denominado radón. Por tanto, Rutherford y su ayudante, el químico Frederick Soddy, dedujeron que, durante la emisión de sus partículas, los átomos radiactivos de transformaban en otras variedades de átomos radiactivos.

Varios químicos, que investigaron tales transformaciones, lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a los que dieron nombres tales como radio A, radio B, mesotorio I, mesotorio II y Actinio C. Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales atómicos. Una serie se originó del uranio disociado; otra, del torio, y la tercera, del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado “protactinio”).

En total se identificaron unos cuarenta miembros de esas series, y cada uno se distinguió por su peculiar esquema de radiación. Pero los productos finales de las tres series fueron idénticos: en último término, todas las cadenas de sustancias conducían al mismo elemento, estable: PLOMO.

Sí, el uranio-238 se desintegra en plomo-206 a través de una serie de pasos que dura miles de millones de años. Este proceso se conoce como datación uranio-plomo y se utiliza para determinar la edad de muestras. 

Ahora bien, esas cuarenta sustancias no podían ser, sin excepción, elementos disociados, entre el uranio (92) y el plomo (82) había sólo diez lugares en la tabla periódica, y todos ellos, salvo dos, pertenecían a elementos conocidos.

En realidad, los químicos descubrieron que aunque las sustancias diferían entre sí por su radiactividad, algunas tenían propiedades químicas idénticas. Por ejemplo, ya en 1.907, los químicos americanos Herbert Newby Mc Coy y W.H. Ross descubrieron que el “radio-torio” (uno entre los varios productos de la desintegración del torio) mostraba el mismo comportamiento químico que el torio, y el “radio D”, el mismo que el del plomo; tanto, que era llamado a veces “radio plomo”. De todo lo cual se infirió que tales sustancias eran en realidad variedades del mismo elemento: el radio-torio, una forma de torio; el radio-plomo, un miembro de una familia de plomos, y así sucesivamente.

En 1.913, Soddy esclareció esa idea y le dio más amplitud. Demostró que cuándo un átomo emitía una partícula alfa, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares más abajo en la lista de elementos, y que cuando emitía una partícula beta, ocupaba, después de su transformación, el lugar inmediatamente superior. Con arreglo a tal norma, el “radio-torio” descendería en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurría con las sustancias denominadas “uranio X” y “uranio Y”, es decir, que los tres serían variedades del elemento 90. Así mismo, el “radio D”, el “radio B” el “torio B” y el “actinio B” compartirían el lugar del plomo como variedades del elemento 82.

Soddy dio el nombre de “isótopos” (del griego iso y topos, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla periódica. En 1.921 se le concedió el premio Nóbel de Química.

El modelo protón-electrón del núcleo concordó perfectamente con la teoría de Soddy sobre los isótopos. Al retirar una partícula de dicho núcleo, exactamente lo que necesitaba para bajar dos lugares en la tabla periódica. Por otra parte, cuando el núcleo expulsaba un electrón (partícula beta), quedaba sin neutralizar un protón adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del núcleo, lo cual era como agregar una unidad al número atómico, y, por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posición inmediatamente superior en la tabla periódica de elementos.

¡Maravilloso!

(Lo de maravilloso, esa exclamación ante ante tan fascinante panorama, está dada por el enorme entusiasmo que en mí producen los movimientos que lleva a cabo la Naturaleza para conseguir sus fines.)

El elemento número 90 de la Tabla periódica, el Torio, y cómo tiene distribuido los electrones

¿Cómo se explica que cuando el torio se descompone en “radio-torio” después de sufrir no una, sino tres desintegraciones, el producto siga siendo torio? Pues bien, en este proceso el átomo de torio pierde una partícula alfa, luego una partícula beta y, más tarde, una segunda partícula beta. Si aceptamos la teoría sobre el bloque constitutivo de los protones, ello significa que el átomo ha perdido cuatro electrones (dos de ellos, contenidos presuntamente en la partícula alfa) y cuatro protones. (La situación actual difiere bastante de este cuadro, aunque, en cierto modo, esto no afecta al resultado.)

Elemento químico, símbolo Th, número atómico 90. Es uno de los elementos de la serie de los actínidos. Es radiactivo con una vida media de aproximadamente 1.4 x 10¹⁰años.

El núcleo de torio constaba inicialmente (según se suponía) de 232 protones y 142 electrones. Al haber perdido cuatro protones y otros cuatro electrones, quedaba reducido a 228 protones y 138 electrones. No obstante, conservaba todavía y el número atómico 90, es decir, el mismo antes.

Así, pues, el “radio-torio”, a semejanza del torio, posee 90 electrones planetarios, que giran alrededor del núcleo. Puesto que las propiedades químicas de átomo están sujetas al número de sus electrones planetarios, el torio y el “radio-torio” tienen el mismo comportamiento químico, sea cual fuere su diferencia en peso atómico (232 y 228, respectivamente).

Los isótopos de un elemento se identifican por su peso atómico, o “número másico”. Así, el torio corriente se denomina torio 232, y el “radio-torio”, torio 228. Los isótopos radiactivos del plomo se distinguen también por estas denominaciones:

Plomo 210 – Plomo 214-Plomo 212 y Plomo 211

“radio D” – “radio B” – “Torio B” y “Actinio B”

Se descubrió que la noción de isótopos podía aplicarse indistintamente tanto a los elementos estables como a los radiactivos. Por ejemplo, se comprobó que las tres series radiactivas anteriormente mencionadas terminaban en tres formas distintas de plomo. La serie del uranio acababa en plomo 206; la del torio, en el plomo 208, y la del actinio, en el plomo 207. Cada uno de estos era un isótopo estable y “corriente” del plomo, pero los tres plomos diferían por su peso atómico.

Mediante un dispositivo inventado por cierto ayudante de J.J.Thomson, llamado Francis William Aston, se demostró la existencia de los isótopos estables. En 1.919, Thomson, empleando la versión primitiva de aquel artilugio, demostró que el neón estaba constituido por dos variedades de átomos: una cuyo número de masa era 20, y otra, 22. El neón 20 era el isótopo común; el neón 22 lo acompañaba en la proporción de un átomo por cada diez. (Mas tarde se descubrió un tercer isótopo, el neón 21, cuyo porcentaje en el neón atmosférico era de un átomo por cada 400.)

Entonces fue posible, al fin, razonar el peso atómico fraccionario de los elementos. El peso atómico del neón (20, 183) representaba el peso conjunto de los tres isótopos, de pesos diferentes, que integraban, el elemento en su estado natural. Cada átomo individual tenía un número másico entero, pero el promedio de sus masas –el peso atómico- era un número fraccionario.

Azufre ← Cloro → Argón
17 Cl
Tabla completa • Tabla ampliada

Aston procedió a mostrar que varios elementos estables comunes eran, en realidad, mezclas de isótopos. Descubrió que el cloro, con un peso atómico fraccionario de 35’453, estaba constituido por el cloro 35 y el cloro 37, en la “proporción” de cuatro a uno. En 1.922 se le otorgó el premio Nóbel de Química.

Arthur Jeffrey Dempster

En el discurso pronunciado al recibir el premio, Aston predijo la posibilidad de aprovechar la energía almacenada en el núcleo atómico, vislumbrando ya las futuras y nefastas bombas y centrales nucleares. Allá por 1.935, el físico canadiense Arthur Jeffrey Dempster empleó el instrumento de Aston para avanzar sensiblemente en esa dirección. Demostró que, si bien 993 de cada 1.000 átomos de uranio, corresponden al uranio 238 (no válido para combustible nuclear), los siete átomos restantes eran de uranio 235 (buen combustible nuclear). Y, muy pronto se haría evidente el profundo significado de tal descubrimiento.

Así, después de estar siguiendo huellas falsas durante un siglo, se reivindicó definitivamente la teoría de Prout. Los elementes estaban constituidos por bloques estructurales uniformes; si no átomos de hidrógeno, sí, por lo menos, unidades con masa de hidrógeno.

¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

Emilio Silvera Vázquez

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LA FUERZA NUCLEAR FUERTE

La fuerza nuclear fuerte se presenta en el núcleo de un átomo y mantiene unido entre si los neutrones y los protones. Estos últimos, de carga positiva, se separarían si no fuera por la fuerza nuclear fuerte. Las partículas encargadas de transmitirla son los gluones.

El átomo es un objeto complejo, y, sobre todo, su gran complejidad reside en el núcleo, ese infinitesimal puntito que está colocado en el centro del átomos y que tiene el 99,9% de toda la masa del conjunto atómico, y, solo supone (a pesar de ello), una parte de 100.000.

Así que, como hemos dicho, el núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,999 % de la masa total del átomo. El núcleo fue deducido a partir del experimento de Rutherford y supone el 1/100.000 del átomo.

“Isótopos del carbono, nitrógeno y oxígeno ordenados según el número atómico Z y el número neutrónico N.

En física y química, el número atómico (o también, número de carga nuclear) de un elemento químico es el número total de protones que tiene cada átomo de dicho elemento. El símbolo convencional y su representación “Z” proviene de la palabra alemana Atomzahl (número atómico).”

 

Los protones son, junto a los neutrones, los llamados nucleones que están conformados por tripletes de Quarks

 Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción fuerte, la cual está intermediada por los Bosones llamados gluones y permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes).

 

                           Los Gluones confinan a los Quarks dentro de los nucleones

La cantidad de protones en el núcleo (número atómico), determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos no necesariamente tienen el mismo número de neutrones, ya que átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes, es decir son isótopos del elemento.

Los nucleones, es decir, los hadrones llamados protones y neutrones, están formados (como antes decía), a su vez, por tripletes de Quarks. Dos quarks up y un quark down para protones y dos quark down y un quark up para neutrones-

 

                                    INTERACCIÓN DÉBIL

La interacción débil causa un tipo de desintegración radioactiva, o división del núcleo de un átomo, conocida como desintegración beta. Los átomos radioactivos son inestables porque sus núcleos tiene demasiados neutrones. En la desintegración beta el neutrón libera un electrón (la partícula beta) y se convierte en un protón. Las partículas W y Z transportan la interacción débil.

                    LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

La fuerza electromagnética afecta a todas las partículas que tiene carga eléctrica, como los electrones. Las fuerzas electromagnéticas entre los átomos y las moléculas de un objetivo sólido le confieren su rigidez. Esa fuerza también determina el comportamiento de los imanes y produce la luz. La fuerza electromagnética es transportada por unas partículas llamadas fotones, que también son las componen la luz.

En el hielo, la fuerza electromagnética une los átomos que forman las moléculas de agua y mantiene las moléculas unidas entre sí.

LA GRAVEDAD

Recientes hallazgos realizados por físicos teóricos de la Universidad de California en Irvine (UCI) indican el posible descubrimiento de una partícula subatómica previamente desconocida que, además, pueden ser evidencia de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza.

Según han explicado los autores en el artículo, publicado en Physical Review Letters, se trata de un hallazgo “revolucionario” porque una quinta fuerza podría “cambiar completamente la comprensión del Universo”, con consecuencias para “la unificación de las fuerzas y la materia oscura”.

Los investigadores de la UCI llegaron a mediados de 2015 hasta un estudio realizado por los físicos nucleares húngaros que estaban buscando “fotones oscuros”, unas partículas que significarían la materia oscura invisible, que los físicos dicen que representa aproximadamente el 85% de la masa del Universo. El trabajo de los húngaros descubrió una anomalía de la desintegración radiactiva que apunta a la existencia de una partícula de luz sólo 30 veces más pesada que un electrón.

“Los científicos no fueron capaces de afirmar que era una fuerza nueva. Simplemente registraron un exceso de eventos que indicaban una nueva partícula, pero no estaba claro para ellos si se trataba de una partícula de materia o una partícula portadora de fuerza”, ha apuntado el autor principal Jonathan Feng.

Ante esto, el grupo estudió los datos, así como todos los demás experimentos anteriores en este área, y demostraron que la evidencia desfavorece firmemente a ambas partículas de materia oscura y fotones.

Así, propusieron una nueva teoría que, a su juicio, “sintetiza todos los datos existentes y determina que el descubrimiento podría indicar una quinta fuerza fundamental”.

Una nueva partícula

El trabajo de la UCI demuestra que en lugar de ser un fotón oscuro, la partícula puede ser una X Higgs protophobic. Mientras que la fuerza eléctrica normal actúa sobre los electrones y protones, esta nueva partícula de Higgs interactúa únicamente con electrones y neutrones y en una gama muy limitada.

Otro de los responsables de este trabajo, Timothy Tait, ha señalado que “no se ha observado que haya otra Higgs con esta misma característica”. “A veces también lo llamamos el bosón X, donde X significa desconocido”, ha explicado.

“Feng ha señalado que hay otros experimentos que pueden ser cruciales para este hallazgo. A su juicio, “la partícula no es muy pesada, y los laboratorios han tenido las energías necesarias para descubrirlo desde los años 50 y 60”, pero “hay sido difícil de encontrar hasta ahora porque sus interacciones son muy débiles”.

Debido a que la nueva partícula es tan ligera, hay muchos grupos experimentales que trabajan en pequeños laboratorios de todo el mundo que ahora pueden hacer un seguimiento de las solicitudes iniciales, según apuntan los expertos. “Ahora saben dónde buscar”, han concluido.

Como se podrá ver, siempre quedan rincones oscuros que tendremos que enfocar mejor llevando allí la luz del conocimiento para dejar de hacer conjeturas en lugar de afirmaciones.

Emilio Silvera Vázquez

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https://canal.uned.es/video/5a6f77abb1111f5b098b458e

https://canal.uned.es/video/5a6f77acb1111f5b098b4593

Universo abierto, plano y cerrado, dependiendo de la cantidad de materia que contenga, lo que los cosmólogos llaman el Omega Negro. 

 

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Los núcleos para formar átomos están rodeados por varios niveles de electrones y todos sabemos que un átomo es la parte más pequeñaque puede existir de un elemento, es la fracción mínima de ese elemento. Consta de un denso núcleo de protones y neutrones (los nucleones) rodeados de electrones moviéndose a velocidades cercanas a las de la luz. Es lo que se conoce como estructura electrónica del núcleo y que tiene que ver con los niveles de energía que los electrones ocupan en sus orbitales.

El orbital s tiene simetría esférica alrededor del núcleo atómico. En la figura siguiente se muestran dos formas alternativas para representar la nube electrónica de un orbital s: en la primera, la probabilidad de encontrar al electrón (representada por la densidad de puntos) disminuye a medida que nos alejamos del centro; en la segunda, se representa el volumen esférico en que el electrón pasa la mayor parte del tiempo.

La forma geométrica de los orbitales p es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el núcleo atómico) y orientadas según los ejes de coordenadas. En función de los valores que puede tomar el tercer número cuántico m_l (-1, 0 y 1) se obtienen los tres orbitales p simétricos respecto a los ejes x, z e y. Análogamente al caso anterior, los orbitales p presentan n-2 nodos radiales en la densidad electrónica, de modo que al incrementarse el valor del número cuántico principal la probabilidad de encontrar el electrón se aleja del núcleo atómico. El orbital “p” representa también la energía que posee un electrón y se incrementa a medida que se aleja entre la distancia del núcleo y el orbital.

Vasyamos al trabajo de hoy.

Muchas veces he dejado aquí una reseña de lo que se entiende por entropía y así sabemos que la energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando    dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.

 

 

 

El paso del Tiempo no perdona, la Entropía siempre aumenta

 

En realidad, la Entropía, no nos debe resultar tan extraña como esa imagen de arriba. Es algo que está presente en toda nuestra vida cotidiana. Sus efectos los podemos ver en todo lo que nos rodea y también sentir en nosotros mismos. Nada permanece igual, todo cambia y se transforma: Es la Entropía destructora que hace estragos en connivencia con el tiempo.

 

 

Está claro que la madre ha sufrido más intensamente los efectos de la entropía que la graciosa niña que ahora está comenzando su andadura por la vida. ¡El Tiempo! Ese inexorable transcurrir de la fatídica flecha que nos lleva, desde el mismo instante  del nacimiento, hasta el inevitable final: Es la Entropía destructora, ese mecanismo del que se vale nuestro Universo para renovarlo todo, incluso la vida que, de otra manera, no podría evolucionar, y, de alguna manera, ese surgir de la vida nueva, y las nuevas estrellas y nuevos mundos que nacen en las galaxias, se podría considerar como entropía negativa, es decir, algo que está ocurriendo para que el Caos no sea total.

 

 

El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial del que mana en lo alto de la montaña y menos energía en el llano en la desembocadura, donde fluye suave y tranquila. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar (si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad).

Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.

 

 

Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquella.

El término “entropía” lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1.849 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.

 

                  Rudolf J. E. Clausius

Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si colocamos un objeto caliente junto a otro frío, el calor fluye de manera que se transmite del caliente al frío hasta que se igualan las temperaturas de ambos cuerpos. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualen y la energía gravitatoria quede distribuida uniformemente.

Clausius afirmó, por tanto, que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O dicho de otra manera:

 

¡Que la entropía aumenta con el paso del Tiempo en cualquier sistema cerrado!

 

 

El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de “termodinámica”, que en griego significa “movimiento de calor”.

La termodinámica (significa “calor” y  dinámico, que significa “fuerza”) es una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor.

 

La figura muestra, al 50% del tamaño real, la trayectoria de un electrón entrando por la izquierda en una cámara de burbujas.

Un electrón curvándose en determinada dirección con el tiempo marchando hacia delante podría ser igualmente un positrón curvándose en la misma dirección, pero con el tiempo marchando hacia atrás. Si sólo consideramos esa partícula, es imposible determinar cuál de las dos posibilidades es la correcta.

En aquellos procesos elementales en que no se puede decir en que dirección marcha el tiempo, no hay cambio de entropía (o es tan pequeña la variación que podríamos ignorarla). Pero en los procesos corrientes, en las que intervienen muchas partículas, la entropía siempre aumenta. Que es lo mismo que decir que el desorden siempre aumenta.

 

Un saltador de trampolín cae en la piscina y el agua salpica hacia arriba; cae un jarrón al suelo y se hace añicos; las hojas caen de los árboles y se desparraman por el suelo. El paso de los años nos transforman de jóvenes en viejos, ¿quién puede remediar eso?

 

 

      En lugares como este nacen nuevas estrellas, nuevos mundos y, en ellos… ¡Nuevas formas de Vida!

El Universo no es infinito y se renueva cíclicamente a partir del Caos destructor para que surja lo Nuevo. ¡Qué me gustaría saber de donde surgió, en realidad, el Universo! ¿Será una fluctuación del vació que expulsó este universo nuestro de otro mayor? ¿Será, acaso, el mismo universo que se renueva una y otra ves? No estamos seguros de nada. Lo cierto es que, sólo tenemos el Big bang, el Modelo que más se ajusta a las observaciones, y, sin la seguridad de que ese sea el comienzo cierto. Hay un “momento” que los científicos no han podido sobrepasar, se llama el “Tiempo de Planck” no se saber que pudo pasar más allá.

Se puede demostrar que todas estas cosas, y en general, todo cuanto ocurre normalmente a nuestro alrededor, lleva consigo un aumento de entropía. Estamos acostumbrados a ver que la entropía aumenta y aceptamos ese momento como señal de que todo se desarrolla normalmente y de que nos movemos hacia delante en el tiempo. Si de pronto viésemos que la entropía disminuye, la única manera de explicarlo sería suponer que nos estamos moviendo hacia atrás en el tiempo: las salpicaduras de agua se juntan y el saltador saliendo del agua asciende al trampolín, los trozos del jarrón se juntan y ascienden hasta colocarse encima del mueble y las hojas desperdigadas por el suelo suben hacia el árbol y se vuelven a pegar en las ramas.  Todas estas cosas muestran una disminución de la entropía, y sabemos que esto está tan fuera del orden de las cosas que la película no tiene más remedio que estar marchando al revés.

En efecto, las cosas toman un giro extraño cuando el tiempo se invierte, que el verlo nos hace reír. Por eso la entropía se denomina a veces “la flecha del Tiempo”, porque su constante aumento marca lo que nosotros consideramos el “avance del tiempo”.

 

 

Quizás, algún día, la imaginación de los seres humanos, tan poderosa, pueda idear la manera de detener el Tiempo y con él, eliminar la Entropía destructora. Por disparatada que pueda parecer la idea, yo no la descartaría…del todo. De hecho, ya se han hecho algunas pruebas y experimentos en tal dirección.

Todo esto me lleva a pensar que, si finalmente el universo en el que estamos es un universo con la densidad crítica necesaria para el universo curvo y cerrado que finaliza en un Big Crunch, en el que las galaxias se frenarán hasta parar por completo y comenzaran de nuevo a desandar el camino hacia atrás, ¿no es eso volver atrás en la flecha del tiempo y reparar la entropía?

 

La galaxia NGC 3344, situada a 25 millones de años-luz de nosotros en la Constelación de Leo, presume de estrellas nuevas azuladas y llenas de energía que, nos habla del surgir de lo nuevo, de la entropía negativa que se produce continuamente en el universo, donde no todo se destruye con el paso del tiempo, sino que, a partir del Caos… ¡Surge lo nuevo!

En un comentario que les hacía, en respuesta a otros contertulios José Luis, Fandila y Kike -en el trabajo “Las galaxias y la Vida”-, hace algún tiempo,  les decía:

 

   Cada nueva estrella que surge hace aumentar la entropía negativa.

No parece algo que podamos asimilar, ¿la Entropía al que no aumenta, sino lo contrario? No es posible.

Bueno, amigos..… ¡O quizás sí!

Entropía negativa, es la única forma que tenemos de luchar contra ella

Lo cierto es que sí existe la entropía negativa y, continuamente la podemos contemplar a nuestro alrededor, hay procesos que son cíclicos y reversibles como, por ejemplo y para no ir más lejos… ¡el de la vida! ¿Que son otras vidas? Sí, cierto, otras vidas con los genes de la que se fue y, de esa manera, continúa la aventura que comenzó hace algunos cientos de miles de años en nuestra especie. Si eso no es entropía negativa…

Por otra parte, en cosas más simples y simplemente mecánicas, hay cosas que se repiten una y otra vez y, en nuestro entorno, la Naturaleza lo hace con las estaciones, las mareas y un sin fín de fenómenos naturales que, desde que podamos recordar, están aquí con nosotros.

Por otra parte, no es cierto que la temperatura del universo esté siempre en aumento, el hecho de que las galaxias se estén alejando las unas de las otras como consecuencia de la expansión, hace que cada vez sea más frío y, de hecho, se cree que la muerte térmica del universo llegará cuando alcance el cero absoluto, es decir, -273,16º Celsius, a esa temperatura ni en los átomos habrá movimiento alguno.

 

 

Es cierto que cuanto mayor sea la entropía de un sistema mayor también será el desorden y la energía disponible disminuirá. El propio universo, considerado como un sistema cerrado se verá abocado a ese escenario final, ya que, de manera irremisible, su entropía aumenta más y más y lo está llevando  hacia su muerte térmica.

Existe una energía interna de la que habla la ciencia que estudia las leyes que gobiernan la conversión de una forma de energía en otra, la dirección en la que fluye el calor y la disponibilidad de energía para que siga produciéndose trabajo. Se basa en el principio de que en un sistema aislado en cualquier lugar del universo hay una cantidad medible de energía, llamada la energía interna (U) del sistema. Esta es la suma de la energía potencial y cinética total de los átomos y moléculas del sistema que pueden ser transferida directamente como calor; excluye, por tanto, la energía nuclear y química. El valor de U sólo puede cambiar si el sistema deja de estar aislado, toda vez que, si deja de estar aislado y se junta con otro, habrá transferencia de masa, energía, calor.

 

 En cada uno de estos escenarios de arriba, sin excepción, se crean nuevos escenarios y se producen nuevas energías

En ese caso, tenemos que pensar en cómo se fusionan las galaxias y, a menor escala, también nosotros, de alguna manera, lo hacemos para generar nueva sabia, nueva energía y nueva vida que, de alguna manera, viene a contrarrestar los efectos de la entropía destructora que no puede impedir que esa nueva vida surja, y, de la misma manera, en las galaxias, nacen nuevas estrellas y nuevos mundos.

 

 

Todo esto nos puede llevar a pensar que, si nuestro universo es considerado un sistema cerrado, al final del camino, la entropía se saldrá con la suya pero… ¡Siempre hay un pero! ¿Y si nuestro universo no está sólo y se está acercando, de manera inexorable, a otro universo vecino para fusionarse con él? En ese caso, se producirán fenómenos termodinámicos que darán lugar a un escenario nuevo. No es ninguna tontería pensar en esa posibilidad, de estudios recientes ha salido el resultado asombroso de que nuestro universo parece tener vecinos.

Es cierto que los procesos naturales obedecen a la primera ley de la termodinámica (el principio de conservación de la energía). Sin embargo, aunque todos los procesos naturales obedecen a esta ley, no todos los procesos que la obedecen pueden ocurrir en la naturaleza. La mayoría de los procesos son irreversibles, es decir, solo pueden ocurrir en una dirección y la dirección que un proceso natural puede tomar es el objeto del segundo principio de la termodinámica al que antes Kike se refería y que puede ser formulado en una gran variedad de formas:

 

 

“El calor no puede ser transferido desde un cuerpo a un segundo cuerpo a temperatura mayor sin producirse ningún efecto, y, la entropía de un sistema sistema cerrado aumenta con el tiempo. Lo lógico es que del cuerpo caliente se transfiera calor al frío hasta igualar las temperaturas”

 

Esos conceptos introducen la Temperatura y la Entropía, los parámetros que determinan la dirección en la que un proceso irreversible puede ocurrir. Como decíamos antes, si se llega al cero absoluto, el valor de la entropía sería cero, es decir, el cambio de la entroìa sería nulo, como se cree que pasaría si el universo llega a ese final que algunos vaticinan de su muerte térmica.

Claro que, yo no soy tan agorero y parto de una base muy cierta: No lo sabemos todo y, lo poco que sabemos está sujeto a cambios (como nuestras teorías) a medida que vamos evolucionando y adquiriendo nuevos conocimientos. Ahora, podemos tener la impresión de que estamos a merced de esa Entropía que nos lleva al Caos y hacia la destrucción pero… (de nuevo un pero), ¿son inamovibles nuestros conocimientos actuales?

Creo en la generación de entropía negativa (por llamarla de alguna manera), y, el ejemplo de las estrellas nuevas que nacen continuamente y también, de nuestra propia descendencia… ¡Es una prueba irrefutable! De todas las maneras y, como siempre digo:

“Sabemos tan poco”

Emilio Silvera Vázquez

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