Un equipo de científicos lograron filmar por primera vez un electrón en movimiento gracias a una tecnología reciente que genera pulsos cortos e intensos de luz láser.

 

 

Toda la luz visible que vemos, así como las ondas de radio, la radiación infrarroja y los rayos X, está compuesta de fotones que han sido emitidos por electrones, ya sea en el Sol, el filamento de una bombilla, una antena de radio o un aparato de rayos.

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

Se ha conseguido observar por primera vez la desintegración radiativa del neutrón.
Dentro de los núcleos de los átomos hay neutrones y protones. En condiciones normales y mientras que están ahí los neutrones son estables. Sin embargo los neutrones libres son inestables, tienen una vida media de unos 10 minutos, y se desintegran produciendo un protón un electrón y un antineutrino. Pero los físicos nucleares teóricos predijeron que una de cada mil veces los neutrones decaerían en todas esas partículas y además en un fotón.

Típicamente el neutrón decae en un protón, un antineutrino y un electrón. Muy raramente lo hace radiativamente emitiendo además un fotón. Diagrama: Zina Deretsky, National Science Foundation.

Mientras que un electrón pertenece al grupo de partículas llamadas fermiones, los fotones pertenecen a la familia de los bosones. Intentemos comprender esta película que es la intermediaria de todas las formas de radiación electromagnética.

…protagonizada por bosones…

Los fermiones hacen posible la materia “al estilo tradicional”, mientras que los bosones son elementos muy raros desde la forma de pensar a que estamos acostumbrados el común de los mortales. Para no complicarnos, la tabla periódica de elementos existe porque los fermiones no pueden “ser iguales”: no pueden solaparseuno sobre otro y se repelen si los obligamos. Es lo que damos por hecho cuando hablamos de materia, que cada pedazo de ésta ocupa su lugar y tiene sus propias cualidades.

 

                                                                     

Una gran herrminta de la F´siica, aunque tiene una veintena de parámetros… ¡Metidos con calcador!

Toda la materia que conocemos, la que forma las estrellas y los mundos y las galaxias, esa que llamamos luminosa o bariónica, la que emite radiación, está hecha de Leptones y Quarks, partículas que son Fermiones, y, esas otras partículas intermediarias de las cuatro fuerzas fundamentales, son las que pertenecen a la familia de los Bosones, tales como el Fotón, las W+, W- y Zº, los Gluones y el Gravitón.

 

 

Los bosones carecen de este sentido de la individualidad que tienen los Fermiones, digamos que poseen “alma grupal” y, en su estado más puro, todos forman una misma “súper-partícula”.

Para entenderlo mejor, conviene recordar que las partículas no son bolitas como nos siguen enseñando en la escuela, sino que más allá de esta imagen existen como ondas o, al menos, sus funciones se equiparan al comportamiento de una onda.

En la década de 1920, Albert Einstein y el hindú Satyendra Nath Bose pronosticaron un quinto estado de la materia: el condensado de Bose-Einstein (BEC), el cual fue conseguido en laboratorio en 1995, algo que le valió el premio Nobel de 2001 a los científicos que lo lograron.

 

                                   

 

Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se da en ciertos materiales a muy baja temperatura. En este estado de la materia, todos los átomos que lo constituyen se encuentran en el nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. Descubierto en 1924 para los fotones por el indio Bose y por Einstein, no fue obtenido en laboratorio hasta 1995 por Cornell y Wieman al enfriar átomos a pocos nanokelvin por encima del cero absoluto. El condensado de Bose-Einstein fue la “molécula del año” según la revista Science en 1995 ya que se trata de un sistema cuántico macroscópico similar a una molécula pero con millones de átomos. Un átomo en un gas se mueve a una velocidad de unos unos 1000 km/h (unos 300 m/s) pero un condensado de Bose-Einstein se mueve a sólo 1 cm/s. Un condensado de Bose-Einstein es respecto a la materia ordinaria, como la luz de un láser es respecto a la de una bombilla. Gracias a ello se puede fabricar un láser de átomos, que en lugar de producir un haz de luz como un láser óptico, produce un haz (coherente) de átomos. En 1997 Ketterle fabricó el primer láser de átomos que producía un haz de átomos de sodio.

 

Cuando ciertas formas de materia [bosones] se enfrían hasta casi el cero absoluto, sus átomos se ponen en el estado de energía más baja, de modo que todos sus átomos vibran al unísono y se hacen coherentes. Las funciones de onda de todos los átomos se solapan, de manera que, en cierto sentido, un BEC [condensado de Bose-Einstein] es como un “super-átomo” gigante en donde todos los átomos individuales vibran al unísono.

Al enfriar los átomos, su velocidad disminuye hasta que las longitudes de onda de cada uno de ellos se vuelven casi planas, superponiéndose unas a otras para formar una única onda que los describe a todos.

 

La Luz! ¡La Mecánica Cuántica! Nuestro Universo

Una nueva investigación, liderada por científicos del Laboratorio Kastler Brossel de Francia, especializado en física fundamental de los sistemas cuánticos, ha conseguido la medición más precisa hasta ahora de la constante de la estructura fina del universo. Esta se refiere a la fuerza de interacción entre la luz y las partículas elementales cargadas, como los electrones. Pasa de lo 8 dígitos que la expresaban a los 11 dígitos, mejorando la precisión de la medición anterior en un factor de 3,2

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Lo cierto es que, la única variable encontrada es la de las distintas densidades de los cuerpos

Alain Turing, pionero de la criptografía, estaba fascinado por la idea de la gravedad variable de Dirac, y especuló sobre la posibilidad de probar la idea a partir de la evidencia fósil, preguntando si “un paleontólogo podría decir, a partir de la huella de un animal extinto, si su peso era el que se suponía”.

El gran biólogo J.B.S. Haldane se sintió también atraído por las posibles consecuencias biológicas de las teorías cosmológicas en que las “constantes” tradicionales cambian con el paso del tiempo o donde los procesos gravitatorios se despliegan de acuerdo con un reloj cósmico diferente del de los procesos atómicos (¿será precisamente por eso que la relatividad general –el cosmos–, no se lleva bien con la mecánica cuántica – el átomo –?).

Tales universos de dos tiempos habían sido propuestos por Milne y fueron las primeras sugerencias de que G podría no ser constante. Unos procesos, como la desintegración radiactiva o los ritmos de interacción molecular, podrían ser constantes sobre una escala de tiempo pero significativamente variables con respecto a la otra. Esto daba lugar a un escenario en el que la bioquímica que sustentaba la vida sólo se hacía posible después de una particular época cósmica, Haldane sugiere que:

“Hubo, de hecho, un momento en el que se hizo posible por primera vez vida de cualquier tipo, y las formas superiores de vida sólo pueden haberse hecho posibles en una fecha posterior.  Análogamente, un cambio en las propiedades de la materia puede explicar algunas de las peculiaridades de la geología precámbrica.”

                     

                        La Naturaleza exige su tiempo para producir cambios

Este imaginativo escenario no es diferente del que ahora se conoce como “equilibrio interrumpido”, en el que la evolución ocurre en una sucesión discontinua de brotes acelerados entre los que se intercalan largos periodos de cambio lento. Sin embargo, Haldane ofrece una explicación para los cambios.

Lo que tienen en común todas estas respuestas a las ideas de Eddington y Dirac es una apreciación creciente de que las constantes de la naturaleza desempeñan un papel cosmológico vital:

Si algunas de estas constantes variaran… ¡La Vida no sería posible en nuestro Universo!

Existe un lazo entre la estructura del universo en conjunto y las condiciones locales internas que se necesitan para que la vida se desarrolle y persista. Si las constantes tradicionales varían, entonces las teorías astronómicas tienen grandes consecuencias para la biología, la geología y la propia vida.

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El fotón, neutrino, electrón, protón, neutrón, muón, tau, kaón, sigma, omega, W y Z, gluón, quarks, gravitón…, forman un revoltijo de nombres en los que están mezclados Hadrones, Mesones, Leptones y Bosones, son todos ellos nombres muy familiares y, cada uno nos trae una imagen o un recuerdo a nuestras mentes que, al oir el nombre, de inmediato los asocia a aquello de lo que forma parte.

Los fotones hace posible que podamos ver los objetos celestes. Arriba una composición de las Pléyades

El fotón es el cuanto de luz, radiación electromagnética de una longitud de onda comprendida entre 380 y 780 mm, que produce percepción visual. Se define como el producto de visibilidad por el poder radiante, siendo éste último la intensidad de propagación de la energía luminosa.

El fotón, como partícula, con masa en reposo nula que recorre el espacio vacío a 299.792.458 metros por segundo, puede ser considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Son necesarios para explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

                                       Sin la luz estaríamos en un Universo distinto

De la luz, nos podríamos estar hablando horas y horas, de sus propiedades en fotónica, fotoquímica, fotosfera y otros muchos ámbitos del saber humano con la luz relacionados, como por ejemplo, la claridad luminosa que irradian los cuerpos en combustión, ignición o incandescencia.

El fotón es una partícula misteriosa y yo diría que encierra muchos secretos que nosotros no hemos podido desvelar. Se comporta como partícula y como onda dependiendo de la circunstancia en que lo podamos observar. El fotón es una partícula sin masa en reposo pero, los fotones tienen energía y, si la energía y la masa son dos aspectos de la misma cosa… ¿Qué está pasando aquí?

Sí, creo que en último resultado podremos comprobar que los fotones son una clase de materia. Acordaos de aquella noticia: “Un grupo de científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha dado el primer paso para construir, en un futuro, un objeto muy parecido a la espada láser de Luke Skywalker. No es ciencia ficción. Lo que ya han conseguido estos investigadores es poner patas arriba lo que hasta ahora creíamos sobre la luz, porque han creado nada menos que una nueva forma de materia con moléculas de luz.”

El prisma hace que la luz se ralentice, curvando su camino por el proceso de refracción. Este efecto es más pronunciado en las longitudes de onda más cortas (como el extremo violeta) que en las longitudes de onda más largas (como el extremo rojo), dispersando así los componentes

Newton nos descubrió que la luz del Sol o luz blanca, era el producto de la mezcla de todos los componentes coloreados, hizo pasar un rayo de luz por un prisma y, la habitación donde hacía el experimento, sus paredes, se llenaron de luciérnagas luminosas de muchos colores, el arco iris estaba allí, del rojo al violeta, descompuestos en mariposas luminosas.

Creo que el estado natural (último) de la materia, no será sólido, líquido, gaseoso, plasma o “materia oscura”. El estado final de la materia, cuando pase por todas las fases y trascienda a un estado superior de conexión total con el Universo, será la LUZ. Ahí, dentro de los rayos luminosos, estarán gravados todos los recuerdos, toda la consciencia de la Humanidad que para entonces, será otra cosa y, sonreirá al ver que un día muy lejano, discutían sobre lo que era el Tiempo, la Materia, las Fluctuaciones de vacío y muchas cosas más que no llegaban a comprender.

                       Si hablamos de neutrinos, estaremos hablando de Leptones.

El electrón es la partícula principal de la familia y está presente en todos los átomos en agrupamientos llamados capas electrónicas alrededor del núcleo. Tiene una masa en reposo (m_e) de numeración 9,1093897(54) × 10^-31 Kg y una carga negativa de 1,602 17733(49) × 10^-19 culombios. La antipartícula es el positrón que, en realidad, es copia exacta de todos sus parámetros, a excepción de la carga que es positiva.

La familia de Leptones esta formada por:

Electrón( e)^–, muón( μ), y la partícula tau( τ).

Neutrino electrónico ν, Neutrino muónico ν_μ, y neutrino tauónico ν_τ.

Si el electrón se considerara como una carga puntual, su auto-energía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac. Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r₀ llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2’82×10^-13 cm, en donde e y m son la carga y la masa del electrón y c la velocidad de la luz.

La ecuación de Dirac para el electrón la podemos escribir de la siguiente forma: (βmc2–icℏα1∂∂x−icℏα2∂∂y–icℏα3∂∂z+V(x,y,z))ψ(x,t)=iℏ∂ψ(∂

El electrón es muy importante en nuestras vidas, es un componente insustituible de la materia y los átomos que son posibles gracias a sus capas electrónicas alrededor de los núcleos positivos que se ven, de esta forma equilibrados por la energía igual, negativa, de los electrones.

Para los no versados en “el mundo” de las partículas, no resulta fácil entender las diferentes familias que las forman y el cometido que cada una de ellas tiene en este complicado “universo” de lo que hemos dado en llamar mecánica cuántica y que nos explica, de alguna manera, lo que ocurre en “el mundo” macroscópico que nos es más familiar. De ahí que muchas veces repita que, todo lo grande está hecho de “cosas” pequeñas.

Los protones, como los neutrones, son de la familia de los Hadrones. El protón es una partícula (no elemental) que tiene carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1,672614 x 10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso, junto al neutrón, también son conocidos como nucleones.

La familia de los Hadrones es la clase de partícula subatómica que interaccionan fuertemente, e incluye protones, neutrones y piones. Los hadrones son o bien bariones, que se desintegran en protones y que se cree están formados por tres quarks, o mesones, que se desintegran en leptones o fotones o en pares de protones y que se cree que están formado por un quark y un anti-quark.

Todos los objetos que podemos observar están conformados por materia bariónica… ¡Como nosotros!

La materia bariónica, es la que forman planetas, estrellas y Galaxias, y la podemos ver por todas partes. Nosotros mismos estamos hechos de Bariones. La otra materia, esa que no podemos ver y que, nuestra ignorancia nos ha llevado a llamar oscura, esa, de momento no sabemos lo que es, y, ni siquiera si en realidad existe.

Las partículas conocidas como bosones: fotón, gluón, gravitón, partícula W⁺ W^– y Z^º son las que median en el transporte de la s fuerzas fundamentales de la naturaleza.

El Fotón, transporta el electromagnetismo, la luz. El Gluón, transporta la fuerza nuclear fuerte que se desarrolla en el núcleo del átomo. El Gravitón (ese que aún no hemos localizado), es la partícula mediadora de la Gravitación Universal, haciendo posible que nuestros pies estén bien asentados sobre la superficie del planeta. Y, por último, las partículas W y Z, responsables de la radiación natural y espontánea de algunos elementos como el Uranio.

Este pequeño repaso a modo de recordatorio, es algo inevitable, si hablamos de materia las partículas se nos cuelan y, como si tuvieran vida propia (que la tienen), nos obliga a hablar de ellas, lo que, por otra parte no esta mal.

Cuando se enunció la ley de la conservación de la materia no se conocía el átomo, pero con los conocimientos actuales es obvio: puesto que en la reacción química no aparecen ni destruyen átomos, sino que sólo se forman o rompen enlaces (hay un reordenamiento de átomos), la masa no puede variar.

“La ley de conservación de la masa, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar como «En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos».¹ Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones nucleares, en las que la masa sí se modifica de forma sutil, en estos casos en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y energía. Esta ley es fundamental para una adecuada comprensión de la química.”

 

Lo cierto es que, la materia en nuestro Universo hace un recorrido que la lleva a tener distintas personalidades y con cada una de ella se pone un ropaje diferente: En las estrellas está presente en forma de elemento sencillo que, se fusiona para convertirse en otros más complejos. Cuando la estrella “muere” según su masa, explota como supernova y riega una extensa región con una bonita nebulosa de la que surgirán nuevas estrellas y nuevos mundos. El grueso de la masa se concentra en una estrella de neutrones o un agujero negro. Si la estrella es menos masiva, será una Nebulosa planetaria y una enana blanca su final. Es decir, la materia, en cada momento y lugar adopta la forma y estructura requerida por las energías presentes.

Como la única verdad del Universo es que todo es lo mismo, la materia ni se fabrica ni se destruye, sino que, en cada momento, cada cosa ocupa su lugar exacto por la evolución, la entropía y el paso del tiempo, resulta que, al final, se hable de lo que se hable, aunque sea de la conciencia y del ser, venimos a parar al mismo sitio: El Universo, la Materia, la Luz, el Tiempo… ¡La Vida!

Somos conscientes y aplicamos nuestra razón natural para clasificar los conocimientos adquiridos mediante la experiencia y el estudio para aplicarlos a la realidad del mundo que nos rodea.

También hemos dicho que el mundo que nos rodea es el que nos facilita nuestra parte sensorial, la mente, y que este mundo, siendo el mismo, puede ser muy diferente para otros seres, cuya conformación sensorial sea diferente a la nuestra. Parece que, realmente es así, lo que es para nosotros, para otros no lo será y, tenemos que tener en cuenta esta importante variable a la hora de plantearnos ciertos problemas que, de seguro, tendremos que afrontar en el futuro. Hay diferentes maneras de resolver el mismo problema, solo tenemos que tratar de entenderlo.

Como la información fluye a mi mente a velocidad de vértigo, a veces, como ahora me ha pasado, estoy hablando de una cosa y me paso a otra distinta.

Estaba comentando el cometido de las partículas y me pasé a otros asuntos sin haber comentado datos de interés:

• En 1.897, J.Thomson, descubrió el electrón
• En 1.911, Rutherford, descubrió el núcleo atómico y el protón
• En 1.932, Chadwick, descubrió el neutrón.

Así quedó sentado que, el modelo atómico estaba completo basado en un núcleo consistente en protones y neutrones rodeados en su órbita, de un número suficiente de electrones que equilibraba la carga nuclear y lo hacía estable. Pero este modelo no era suficiente para explicar la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.

En 1.935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamadas mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacía atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales.

También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas fundamentales de vida corta. Como antes comentaba, en la clasificación actual existen dos clases principales de partículas: Leptones, que interaccionan con el electromagnetismo y con la fuerza nuclear débil y que no tienen estructura interna aparente, y los Hadrones (nucleones, piones, etc.), que interaccionan con la fuerza nuclear fuerte y tienen estructura interna.

              Los grandes aceleradores de partículas nos dejaron vislumbrar los Quarks

Fue el modelo de Murray Gell-Mann, introducido en1.964, el que fijó la estructura interna de los hadrones que, estarían formado por minúsculas partículas elementales a las que llamó quarks. Este modelo, divide a los hadrones en bariones (que se desintegran en protones) y mesones (que se desintegran en leptones y fotones). Ya decía antes que los bariones están formados por tres quarks y los mesones por dos quarks (quark y anti-quark)

En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks.

La familia quarks esta compuesta por seis miembros que se denominan up (u), down (d), charmed (c), strange (s), top (t) y, bottom (b). El protón siendo un barión está constituido por tres quarks, uud (dos quarks up y un quark down), y, el neutrón por udd (un quark up y dos down).

            Protones y neutrones formados por Quarks

Para que los quarks estén confinados en el núcleo dentro de los nucleones, es necesario que actúe una fuerza, la nuclear fuerte que, entre los quarks se puede entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas Gluones (porque mantienen como pegados a los quarks juntos). Aunque los Gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, si tienen una carga de color. Cada Gluón transporta un color y un anticolor. En una interacción un quark puede cambiar su color, pero todos los cambios de color deben estar acompañados por la emisión de un Gluón que, de inmediato, es absorbido por otro quark que automáticamente cambia de color para compensar el cambio original.

El universo de los quarks puede resultar muy complejo para los no especialistas y como no quiero resultar tedioso, lo dejaré aquí y paso de explicar el mecanismo y el significado de los sabores y colores de los quarks que, por otra parte, es tema para los expertos.

Gluones unen los quarks en partículas como los protones o los neutrones. Aquí, tres quarks — dos ups y un down — son representados formando un protón, por el intercambio de gluones (invisibles). Porque gluones carga color interactuar con uno al otro de forma glue-balls, que se descomponen en partículas hechas de quarks y anti-quarks. (Ilustración cortesía Jefferson Lab)

Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los Hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentales han anunciado resultados consistentes con la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados y en estado libre.

Sí, sospechamos que hay algo más allá de los Quarks que, finalmente, no serán esas partículas elementales que ahora creemos que son. Los teóricos de la Física creen que la materia del universo está formada por cuerdas vibrantes de infinitesimales dimensiones situadas en el límite de Planck, es decir, hablamos de la longitud de Planck, de 10^–35 metros (veinte ordenes de magnitud menor que el tamaño del protón de 10^–15 metros).  El límite de Planck es L_p= √ ( G ħ / C³ ), en ese corto espacio es donde residen las cuerdas y no tenemos medio para llegar hasta allí, se cree que se necesitaría la energía de Planck de 10¹⁹ GeV para poder “ver” las cuerdas y, esa energía, ni con la potencia de mil LHC juntos,  la podríamos conseguir.

Mirad como es la naturaleza humana. Resulta que aún no hemos podido identificar a los quarks con claridad, y, sin embargo, hemos continuado el camino con teorías más avanzadas que van mucho más allá, ahora hemos puesto los ojos de la mente sobre diminutas cuerdas vibrantes, filamentos cien mil veces más pequeños que los quarks y que serían los componentes más elementales de la materia.

Emilio Silvera V.

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                                 ¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz?

                                               

                                  Fotones que salen disparados a la velocidad de c. ¿Qué podría seguirlos?

Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento.

Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc².) Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energía de manera constante) es cada vez menor la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana más masa a un ritmo ligeramente mayor.

Al aumentar aún más la velocidad y acercarse a los 299.792’458 Km/s, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi toda la energía añadida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero la masa es la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energía añadida se traduce en masa.

El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz porque para conseguirlo hay que comunicarle energía adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energía, por mucha que sea, se convertirá en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentaría ni un ápice.

    La luz está dentro de la materia y en el universo… ¡por todas partes! ¿Somos seres de luz?

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increíblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).

                                                           No, un pulsar tampoco puede ser más rápido que la luz

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, prácticamente toda la energía se incorpora a él en forma de velocidad: se moverá más aprisa sin cambiar su masa.

A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energía de manera constante) es cada vez menor la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana más masa a un ritmo ligeramente mayor.

En gracia quizás podamos superarla pero, en velocidad…no creo, c es el tope que impone el Universo para la velocidad, es el límite al que podemos enviar información y también, al que nos podríamos mover con las más rápidas naves que pudiéramos construir, aunque esas naves tendrían algunos problemas de masa y, los viajeros… ¡Muchos más!

Todo esto no es pura teoría, sino que ha sido comprobado, una y mil veces en los grandes aceleradores de partículas, donde el muó, por ejemplo, aumentó su masa diez veces al acercarse a velocidades relativistas, es la realidad de los hechos.

            Ninguna nave, por los medios convencionales, podrá nunca superar la velocidad de la luz

La velocidad de la luz es la velocidad límite en el universo. Cualquier cosa que intente sobrepasarla adquiriría una masa infinita, y, siendo así (que lo es), nuestra especie tendrá que ingeniarse otra manera de viajar para poder llegar a las estrellas, ya que, la velocidad de la luz nos exige mucho tiempo para alcanzar objetivos lejanos, con lo cual, el sueño de llegar a las estrellas físicamente hablando, está lejos, muy lejos. Es necesario encontrar otros caminos alejados de naves que, por muy rápida que pudieran moverse, nunca podrían superar la velocidad de la luz, el principio que impone la relatividad especial lo impide, y, siendo así, ¿Cómo iremos?

La velocidad de la luz, por tanto, es un límite en nuestro universo; no se puede superar. Siendo esto así, el hombre tiene planteado un gran reto, no será posible el viaje a las estrellas si no buscamos la manera de esquivar este límite de la naturaleza, ya que las distancias que nos separan de otros sistemas solares son tan enormes que, viajando a velocidades por debajo de la velocidad de la luz, sería casi imposible alcanzar el destino deseado.

                                      De momento sólo con los Telescopios podemos llegar tan lejos.

Los científicos, físicos experimentales, tanto en el CERN como en el FERMILAB, aceleradores de partículas donde se estudian y los componentes de la materia haciendo que haces de protones o de muones, por ejemplo, a velocidades cercanas a la de la luz choquen entre sí para que se desintegren y dejen al descubierto sus contenidos de partículas aún más elementales. Pues bien, a estas velocidades relativistas cercanas a c (la velocidad de la luz), las partículas aumentan sus masas; sin embargo, nunca han logrado sobrepasar el límite de c, la velocidad máxima permitida en nuestro universo.

Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?

Sí, la Naturaleza nos habla, simplemente nos tenemos que parar para poder oír lo que trata de decirnos y, entre las muchas cosas que nos dice, estarán esos mensajes que nos indican el camino por el que debemos encontrar lo que buscamos para burlar a la velocidad de la luz, conseguir los objetivos y no vulnerar ningún principio físico impuesto por la Naturaleza.

La única respuesta que podemos dar hoy es que así, es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacio es una muestra.

A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio.

A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad. Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.

                                     Fotones emitidos por un rayo coherente conformado por un láser

Tenemos el ejemplo del fotón, la partícula mediadora de la fuerza electromagnética, un bosón sin masa que recorre el espacio a esa velocidad antes citada. Hace no muchos días se habló de la posibilidad de que unos neutrinos hubieran alcanzado una velocidad superior que la de la luz en el vacío y, si tal cosa fuera posible, o, hubiera pasado, habríamos de relagar parte de la Teoría de la Relatividad de Einstein que nos dice lo contrario y, claro, finalmente se descubrió que todo fue una falsa alarma generada por malas mediciones. Así que, la teoría del genio, queda intacta.

¡La Naturaleza! Observémosla. De todas las maneras, como nuestra imaginación es casi tan grande como el mismo universo, ya se han postulado teorías para ir buscando la manera de poder desvelar si existe alguna posibilidad de que la velocidad de la luz sea superada.

En matemáticas se llama prolongación de una función a la extensión de su dominio más allá de sus singularidades, que se comportan como frontera entre el dominio original y el extendido. Normalmente, la prolongación requiere incluir algunos cambios de signo en la definición de la función extendida para evitar que aparezcan valores imaginarios puros u otros números complejos. La matemática de la teoría de la relatividad puede ser aplicada a partículas que se mueven a una velocidad mayor que la de la luz (llamadas taquiones) si aceptamos que la masa y la energía de estas partículas pueden adoptar valores imaginarios puros. El problema es que no sabemos qué sentido físico tienen estos valores imaginarios.

La fuente está en algunas ideas de Asimov.

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El año pasado se pudo leer en la prensa

“Hasta este año todos los objetos hechos por el hombre habían funcionado de acuerdo a las leyes de la mecánica clásica. En marzo, sin embargo, un grupo de investigadores diseñó un aparato que funciona de formas que sólo puede ser descrito por la mecánica cuántica – el conjunto de normas que rige el comportamiento de las cosas pequeñas, como las moléculas, átomos y partículas subatómicas. En reconocimiento del terreno conceptual en el cual este experimento opera, el ingenio detrás de él y de sus múltiples aplicaciones potenciales, la prestigiosa revista Sciene ha llamado a este descubrimiento el avance científico más importante del 2010.

Los físicos Andrew Cleland y John Martinis de la Universidad de California en Santa Barbara y sus colegas diseñaron la máquina, una pequeña pala de metal de semiconductores, visible a simple vista que ‘baila a un ritmo cuántico’. Primero, los científicos enfriaron la pala hasta llevarla a su “estado más fundamental”, o el estado de menor energía permitida por las leyes de la mecánica cuántica (una meta largamente buscada por los físicos).

Luego incrementaron la energía de la misma por sólo un cuantio para producir un estado puramente mecánico-cuántico de movimiento. Incluso se las arreglaron para poner el aparato en dos estados a la vez, vibrando mucho y poco al mismo tiempo, un fenómeno insólito que sólo puede ser explicable por las extrañas reglas de la mecánica cuántica.”

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

         Los bosones tienen un momento angular n h / 2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck.  Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La mejor teoría para explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y unos ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas. (Fuente Artículo publicado en Ciencia Kanija).

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

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

Debido al principio de exclusión de Pauli es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones).

La condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7k) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Este efecto (condensación Bose-Einstein), como ya habréis podido suponer, es llamado así en honor al físico Satyendra Naht Bose (1.894-1.974) y de Albert Einstein.

Distribución de momentos que confirma la existencia de un nuevo estado de agregación de la materia, el condensado de Bose-Einstein. Datos obtenidos en un gas de átomos de rubidio, la coloración indica la cantidad de átomos a cada velocidad, con el rojo indicando la menor y el blanco indicando la mayor. Las áreas blancas y celestes indican las menores velocidades. A la izquierda se observa el diagrama inmediato anterior al condensado de Bose-Einstein y al centro el inmediato posterior. A la derecha se observa el diagrama luego de cierta evaporación, con la sustancia cercana a un condensado de Bose-Einstein puro. El pico no es infinitamente angosto debido al Principio de indeterminación de Heisenberg: dado que los átomos están confinados en una región del espacio, su distribución de velocidades posee necesariamente un cierto ancho mínimo. La distribución de la izquierda es para T > Tc (sobre 400 nanokelvins (nK)), la central para T < Tc (sobre 200 nK) y la de la derecha para T << Tc (sobre 50 nK).

         Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.  Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, nos daremos cuenta de que la mecánica cu´çantica es extraña y siendo fácil comprender como forma un campo magnético la partícula cargada que gira, no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado.

        Lo cierto es que ocurre así. La prueba directa más evidente de ello es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado.  El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes a cero, aunque por alguna razón desconocida, lograr crear un campo magnético cuando gira la partícula.

         Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E=mc²), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es, ¡materia! La materia es la luz, la energía, el magnetismo.  En definitiva, la fuerza que reine en el Universo y que esté presente, de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

         ¡Es Curioso!

         Sea como fuere, la rotación del neutrón nos de la respuesta a esas preguntas:

               ¿Qué es el antineutrón?  Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo.  En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos.

         Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la “antimateria”, de la misma forma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

       No, no es el LHC pero, sin embargo, también hizo importantes descubrimientos

         La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un “antideuterón”. Desde entonces se ha producido el “antihielo 3”, y no cabe duda de que se pudiera crear otros antinúcleos más complicados aun si se abordara el problema con más interés.

         Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el Universo?

Bueno, sabemos que no son las galaxias las que se alejan, sino que es el espacio el que se expande. Lo que no sabemos es encontrar antimateria en el espacio interestelar y, si la hay y está presente… ¡Aún no la hemos podido encontrar! Algunos dicen que hay galaxias de antimateria y, yo digo que tengo un pariente en la galaxia Astrinia del cúmulo Ultramón a diez mil millones de años-luz de nuestra región.

         Lo cierto es que si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente.  Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro.  Así, pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, para tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate dichas interacciones materia-antimateria.

         No parece que dichas observaciones, al menos hasta el momento, hayan sido un éxito.

Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de la NASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universo consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuya naturaleza última no se sabe casi nada.

         ¿Es posible que el Universo este formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaria la otra, y el Universo debería estar compuesta de iguales cantidades de la una y de la otra.

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

      Estábamos hablando de mecánica cuántica y me pasé, sin que me diera cuenta a otras regiones del saber humano que, va siendo bastante amplio y, en ocasiones, nos llevan a relacionar unas cosas con otras aunque parezcan no tener sentido entre sí y, en realidad, siempre existe una relación oculta entre lo pequeño y lo grande que, en definitiva, vienen a ser la misma cosa pero se comportan de manera diferente en uno y en otro ámbito.

emilio silvera

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