Si hablamos de Física podemos pensar en la constante de Planck en sus dos versiones, h y ħ; en la igualdad masa-energía de Einstein; la Constante gravitacional de Newton, la constante de estructura fina (α = 2Π e² /137); y, el radio del electrón, por ejemplo.

                                   ¿Habéis pensado en lo que llevan encerrado sus mensajes?

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha dado la Humanidad, en el campo de la Física y otras ramas del saber.

En poco más o menos, un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad a una claridad, no cegadora aún, pero sí, aceptable. Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y, el ritmo, parece que crece de manera exponencial, y, en algunos campos,  se cumple la ley de Moore.

Eso que llamamos ¡El Tiempo!, tal como lo concebimos es un preciado bien, está a nuestro favor. Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas.

                                                         Avanzamos en todos los campos

Pongamos nuestras esperanzas en que no seamos tan irresponsables como para estropearlo todo. En el estudio del Espacio exterior cada día damos un paso más hacia adelante, vamos conociendo con más certeza la realidad del Universo que nos acoge, y, aunque todavía nos queda muchísimo camino por recorrer, lo cierto es que no se para en la investigación y se preparan misiones hacia los mundos cercanos para ir conociendo nuestro entorno que… ¿Quién sabe? En el futuro aún lejano nos podría ofrecer una salida.

     En estudio están muchos de estos proyectos

Si estoy escribiendo, concentrado, en mis cosas de la Física, de la Astronomía, la Gravedad o el electromagnetismo, pongamos por ejemplo, me aíslo y ni oigo los ruidos que a mi alrededor se puedan producir por el desenvolvimiento de la vida cotidiana.

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

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“La gravedad cuántica es el campo de la física teórica que procura unificar la teoría cuántica de campos, que describe tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, con la relatividad general, la teoría de la cuarta fuerza fundamental: la gravedad. La meta es lograr establecer una base matemática unificada que describa el comportamiento de todas las fuerzas de la Naturaleza, conocida como la teoría del campo unificado.”

La física será incompleta y conceptualmente insatisfactoria en tanto no se disponga de una teoría adecuada de la gravedad cuántica, y, hasta el momento, no parece que se pueda lograr tal teoría. Sin embargo, al desarrollar las ecuaciones de campo de la Teoría de Cuerdas, allí aparecen las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General, sin que nadie las llame, como por arte de magia emergen. ¿Qué significa eso? ¿No será que en la Teoría de cuerdas subyace la Teoría Cuántica de la Gravedad?

Espacio-Tiempo Curvo: Gravedad Cuántica

Durante el siglo XX, la física se fundamentó, en general, sobre dos grandes pilares: la Mecánica Cuántica y la teoría de Relatividad. Sin embargo, a pesar de los enormes éxitos logrados por cada una de ellas, las dos aparecen ser incompatibles. Esta embarazosa contradicción, en el corazón mismo de física teórica, se ha transformado en uno de los grandes desafíos permanentes en la ciencia.

La teoría de la relatividad general da cuenta a la perfección de la gravitación. Por su parte, la aplicación a la gravedad de la mecánica cuántica requiere de un modelo específico de gravedad cuántica. A primera vista, parecería que la construcción de una teoría de gravedad cuántica no sería más problemático que lo que resultó la teoría de la electrodinámica cuántica (EDC), que ya lleva más de medio siglo con aplicaciones más que satisfactorias.

En lo medular, la EDC describe la fuerza electromagnética en términos de los cambios que experimentan las llamadas partículas virtuales, que son emitidas y rápidamente absorbidas de nuevo; el principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que ellas no tienen que conservar la energía y el movimiento. Así la repulsión electrostática entre dos electrones puede ser considerada como la emisión, por parte de un electrón, de fotones virtuales y que luego son absorbidos por el otro.

Aunque parece contrario a lo racional, ni siquiera el vacío absoluto equivale al concepto de la nada. De hecho, el vacío está repleto de diversas partículas que continuamente aparecen o dejan de existir. Estas partículas aparecen, existen durante un breve instante y luego vuelven a desaparecer.

Como su existencia es tan fugaz, generalmente se las llama partículas virtuales.

La misma mecánica, pero a través de los cambios de la partícula virtual de la gravedad el «gravitón» (el quantum del campo gravitacional), podría considerarse para estimar la atracción gravitacional entre dos cuerpos. Pero gravitones nunca se han visto. La gravedad es tan débil que puede obviarse a escala molecular, donde los efectos cuánticos son importantes. Ahora, si los cambios que podrían realizarse en los gravitones sólo se producen en la interacción entre dos puntos de masa, es posible, entonces, que en los cuerpos masivos se ignore los efectos cuánticos. El principio de incertidumbre de Heisenberg nos señala que no podemos medir simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula subatómica, pero esta indeterminación es imperceptible para los planetas, las estrellas o las galaxias.

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“El principio de exclusión de Pauli estipula que dos Fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico dentro del mismo sistema al mismo tiempo, mientras que para el caso de los electrones estipula que es imposible para 2 electrones en un mismo átomo tener los mismos 4 valores para los números cuánticos, donde esos 4 números incluyen el número cuántico principal, el número cuántico de momento angular, el número cuántico magnético y por último, el número cuántico de espín. Como se ha dicho, el principio de exclusión de Pauli solo es aplicable a Fermiones , esto es, partículas que forman estados cuánticos antisimétricos y que tienen espín semientero.

Son Fermiones, por ejemplo, los electrones y los quarks (estos últimos son los que forman los protones y los neutrones). En cambio, partículas como el fotón, y el (hipotético) gravitón, no obedecen a este principio, ya que son bosones, esto es, forman estados cuánticos simétricos y tienen espín entero. Como consecuencia, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuántico de partícula, como en los láseres.”

En 1930, el físico Wolfgang Pauli propuso la hipótesis de una nueva e invisible partícula denominada neutrino para dar cuenta de la energía pérdida en ciertos experimentos sobre radiactividad que parecían violar la conservación de la materia y la energía. Pauli comprendió, no obstante, que los neutrinos serían casi imposibles de observar experimentalmente, porque interaccionarían muy débilmente y, por consiguiente, muy raramente con la materia.

Por ejemplo, si pudiéramos construir un bloque sólido de plomo de varios años-luz de extensión desde nuestro Sistema Solar hasta Alpha Centaury y lo pusiéramos en el camino de un haz de neutrinos, aun saldrían algunos por el extremo opuesto.  Pueden atravesar la Tierra como si ni siquiera existiese y, de hecho, billones de neutrinos emitidos por el Sol están atravesando continuamente nuestros cuerpos, tanto de día como de noche.  Pauli admitió: “He cometido el pecado más grave, he predicho la existencia de una partícula que nunca puede ser observada.”

       A la caza del neutrino en diferentes proyectos para saber de sus propiedades y su masa

Los neutrinos han sido objeto de grandes proyectos para su localización, y, escondidos en las profundidades de la Tierra, en minas abandonadas, han sido instalados grandes depósitos de agua pesada que, detectaban a los neutrinos que allí interaccionaban y que eran detectados por ordenador. Hay empresas que parecen descabelladas y, sin embargo, son las que nos traen los mayores éxitos.

Si repasamos la historia de la Ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo.  Witten con su Teoría M,  está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck.

Como ya he contado en otras ocasiones, él dijo:

       Edward Witten autor de la Teoría M dijo:

“No siempre es tan fácil decir cuáles son las preguntas fáciles y cuáles las difíciles.  En el siglo XIX, la pregunta de por qué el agua hierve a 100 grados era desesperadamente inaccesible.  Si usted hubiera dicho a un físico del siglo XIX que hacia el siglo XX sería capaz de calcularlo, le habría parecido un cuento de hadas…  La teoría cuántica de campos es tan difícil que nadie la creyó completamente durante veinticinco años.”

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AVANCES DE LA HUMANIDAD

William Crookes, 1906

 Fue un químico inglés, uno de los científicos más importantes en Europa del siglo XIX,  tanto en el campo de la física como en el de la química. En 1863 ingresó en la Royal Society,  y fue nombrado Sir en 1910.

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Tubo de rayos catódicos

Es conocido por ser el inventor del tubo de rayos catódicos, por el descubrimiento del elemento Talio, y por ser el primero en analizar el gas Helio en laboratorio.

Uranio X

“Diagrama de Segrè. El color indica el periodo de semidesintegración de los isótopos radiactivos conocidos, también llamado semivida. Obsérvese que un ligero exceso de neutrones favorece la estabilidad en átomos pesados.”

Productos de decaimiento intermedios de la cadena de desintegración desde plomo 212 hasta plomo 208.

En este ejemplo:

• ²³⁴Th, ^234mPa,…,²⁰⁶Pb son los productos de decaimiento de ²³⁸U.
• ²³⁴Th es el hijo del padre ²³⁸U.
• ^234mPa (234 metaestable) es el nieto de ²³⁸U.

A estos isótopos podría denominárseles también productos hijos de ²³⁸U.​

Los productos de decaimiento son importantes para comprender la desintegración radiactiva y la administración de rediduos radiactivos.

Producción y gestión de residuos en una central nuclear.

El Uranio X

Antigua denominación radioquímica del nucleido 234Th, de la serie radiactiva natural del uranio. Su símbolo era UX1

Ha pasado más de un siglo desde que se hicieron una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento.  El inglés William Crookes (el del “tubo 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 esta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denomino “uranio X”.

Protactinio ← Uranio → Neptunio
92 U y Ur
Tabla completa • Tabla ampliada

“El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo de la serie de los actínidos, su símbolo químico es U y su número atómico es 92. Por ello posee 92 protones y 92 electrones, con una valencia de 6. Su núcleo puede contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el ²³⁸U que posee 146 neutrones y el ²³⁵U con 143 neutrones. El uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. El uranio es aproximadamente un 70 % más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro o el wolframio. Es levemente radiactivo. Fue descubierto como óxido en 1789 por M. H. Klaproth que lo llamó así en el honor del planeta Urano que acababa de ser descubierto en 1781.”

        Antoine Henri Becquerel

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.

Rutherford

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.

                    Actinio                                                                                 Torio

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 de originó del uranio disociado; otra, del torio, y la tercera, del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado “protactinio”).

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Preludio a la relatividad. Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald

                                                                                                                                      Lorentz en 1921

“La contracción de Lorentz es un efecto relativista que consiste en la contracción de la longitud de un cuerpo en la dirección del movimiento a medida que su velocidad se acerca a la velocidad de la luz. Originalmente fue un concepto introducido por Lorentz como una forma de explicar la ausencia de resultados positivos en el experimento de Michelson y Morley. Posteriormente fue aplicado por Albert Einstein en el contexto de la relatividad especial.”

FitzGerald fue uno de los físicos que apoyó la teoría electromagnética de Maxwell. Estos físicos revisaron, ampliaron, clarificaron y confirmaron esta teoría entre las décadas de 1870 y 1880. Sin embargo,  FitzGerald es más conocido por la conjetura que enunció en 1889 que sostiene que todo cuerpo se contrae  en la dirección de su movimiento. Su idea se basa parcialmente en la manera en que las fuerzas eletromagnéticas son afectadas por el movimiento. El físico holandés Hendrik Lorentz desarrolló una idea similar en 1892 y la conectó  con su teoría de los electrones.

La  contracción de FitzGerald-Lorentz se convirtió más tarde  en una parte importante de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein que se publicó en 1905.G

En 1893 el físico irlandés George Francis Fitzgerald emitió una hipótesis para explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley. Adujo que toda la materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.

Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso. Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.

Parecía como si la explicación de Fitzgerald insinuara que la naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, para lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento.

Este asombroso fenómeno recibió el nombre de contracción de Fitzgerald, y su autor formuló una ecuación para el mismo, que referido a la contracción de un cuerpo móvil, fue predicha igualmente y de manera independiente por H. A. Lorentz (1853 – 1928) de manera que, finalmente, se quedaron unidos como contracción de Lorentz-Fitzgerald.

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