La Naturaleza es extraña y hace cosas que nos llevan al mayor de los asombros primero, y a la maravilla desiés.
Este podría serel Sol cuando dentro de 5.000 millones de años, llegue a su final. El punto balco del creentro es la enana blanca que ha quedado de las masa de la estrella original, y, el proceso queda explicado más abajo.
La “haermana” pequeña de la estrella de neutrones, sería la estrella enana blanca. La de neutrones es el producto de la muerte de una estrella con algo más de ochoveces la masa del Sol, la enana blanca es el resultado final de la muerte de estrellas como el Sol que, cuando va agotando su material de fusión nuclear, se convierte en Gigante roja, más tarde, expulsa las capas estrerios al Espacio Interestelar y forma u na Nebulosa planetaria, el resto de la ingente masa se contrae sobre sí misma bajo la fuerza de Gravedad que genera su masa, y llegado a punto, los electrones (que son Fermiones, sometidos al Principio de exclusión de Pauli), se degeneran y comienzan a moverse a velocidad relativista, de tal manera que frena la fuerza de gravedad, la masa deja de contraerse y allí solo queda una estrella de neutrones que irradia fusiosamente en el ultraviliota, ioniza el material de la Nabulosa que ha creado a su alrededor.
La Densidad de una estrella de neutrones es gigantesca, con un valor aproximado de entre 3,7 x 1017 y 5,9 x 1017 Kg/m3 .
Como nos explican en el Video.
Comparación cotidiana: Una sola cucharadita de té con materia de una estrella de neutrones puede pesar cerca de mil millones de toneladas.
Tamaño reducido: Concentran una masa superior a la del Sol en una esfera de apenas unos 20 kilómetros de diámetro, comparable al tamaño de una ciudad.
Origen extremo: Se forman cuando el núcleo de una estrella gigante colapsa al final de su vida, forzando a los electrones y protones a unirse en neutrones y eliminando el espacio vacío de los átomos.
La Naturaleza recorre caminos “imposibles” para conseguir sus fines. Hemos podido desvelar algunos de esos asombrosos recorridos, otros quedan aún ocultos bajo el mayor de los misterios (La Mente Humana es el mayor de todos), y nuestra curiosidad sigue persiguiendo respuestas que nadie nos sabe dar.
Sobre este tema, en una de las Revistas de la RSEF, pude leer:
ESTABILIDAD DE LA MATERIA EXTRAÑA, Y POSIBLES ESTRELLAS DE QUARKS.
“Hipotético tipo de estrella exótica de inmensa densidad que está hecha de materia conformada por Quarks”
Sabemos de las estrellas ordinarias como el Sol y otras que, cuando “mueren” pasan por distintas fases y, según sus masas originales, terminan como estrellas enanas blancas, de neutrones o, agujeros negros. Sin embargo, intermediando las de neutrones y agujeros negros, podrían existir estrellas de Quarks (no detectadas hasta el momento).
Estrella de quarks. El término estrella de quarks o estrella extraña, es usado para denominar un tipo de estrella exótica en la cual, debido a la alta densidad, la materia existe en forma de quarks desconfinados.
La Hipótesis de estrella de Quarks (EQs) podrían responder a muchos interrogantes surgidos a partir de observaciones astrofísicas que no coinciden con los modelos canónicos teóricos de las Estrellas de Neutrones ( ENs ). Decimos que son hipotéticas porque se conjetura que estarían formadas por Materia Extraña ( ME ). La comunidad astrofísica espera evidencias observacionales que permitan diferenciarlas de las ENs, ya que podrían explicar un conjunto de observaciones astronómicas que aún resultan una incógnita. Es sabido que una EN es el remanente del colapso de una estrella masiva. El colapso de la estrella, la supernova, da lugar a un núcleo compacto hiperdenso de hierro y otros metales pesados que sigue comprimiéndose y calentándose. Su densidad continúa aumentando, dando lugar a una “neutronización“ (recombinación de electrones con protones que resultan en neutrones) y el gas degenerado de neutrones frena el colapso del remanente.
Una EQ, a diferencia de una EN, no se originaría necesariamente de una evolución estelar después del agotamiento del combustible nuclear de una estrella normal. Sería, probablemente, producto de la transición de fase hadrón-quark a altísima densidad. La Cromodinámica Cuántica (CDC), la Teoría de las Interacciones Fuertes que ocurren dentro de los nucleones (protones y neutrones), concibe teóricamente la idea de la transición de fase hadrón-quark a temperaturas y/ o densidades extremadamente altas con el consecuente desconfinamiento de quarks y gluones, que formarían una especie de “sopa “. Sin embargo, los quarks libres no se han encontrado aún, en uno u otro límite, en ningún experimento terrestre.
La “sopa“ que mencionamos antes, se conoce como Plasma Quark-Gluón ( PQG ). En el límite de altas temperaturas, el PQG está tratando de obtenerse en el laboratorio y existen fuertes indicios de que se logre con éxito experimentos de altas energías como el Colisionador Relativista de Iones Pesados (conocido por sus siglas en ingles como RHIC) de Brookhaven, New York.
Por otro lado, se espera que a través de observaciones astronómicas se compruebe que la transición a altas densidades se hubiese producido en el interior de alguna EN. Esto se debe a que los valores de densidades estimados para que dicha transición tuviese lugar coinciden con densidades del orden de (3 exp. – 12) ρ0 (siendo ρ0 ̃ 0, 17 fmˉ ³ la densidad de equilibrio nuclear) que son típicas del interior de las ENs. Los cálculos basados en diferentes ecuaciones de estado de la materia nuclear muestran estos resultados, por lo que sería razonable que el núcleo de las ENs estuviese formado por materia de quarks.
Recientemente, la relación entre campo magnéticos y materia densa está atrayendo la atención de los astrofísicos, especialmente después de las observaciones de emisiones peculiares de pulsares anómalos de rayos X, que se interpretan como ENs en rotación, y de emisiones de radiación γ de baja energía de los llamados repetidores de rayos γ suaves ( SGRs – soƒt gamma-ray repeaters ). El motor central de esas radiaciones podría ser un campo magnético mayor que 4 x 10¹³ Gauss, que es el campo crítico previsto por la Electrodinámica Cuántica.
Muchas observaciones astronómicas indirectas sólo se explicarían a través de la existencia de campos magnéticos muy intensos en los núcleos de ENs en EQs, de manera que el papel que juega el campo magnético en la ME aún constituye un problema abierto y de sumo interés en la Astrofísica.
En particular, en un trabajo reciente, se ha analizado la ME considerando neutralidad de carga, equilibrio β y conservación del número bariónico. En dicho trabajo se obtuvo una cota superior para el valor del campo magnético que determina una transición de fase cuya explicación requiere ser estudiada en profundidad ya que sería independiente de la interacción fuerte entre los quarks. También se ha comprobado que la presencia de de campos magnéticos intensos favorece la estabilidad de la ME.
Por otro lado, estudios teóricos han demostrado que si la materia es suficientemente densa, la materia de quarks deconfinada podría estar en un estado superconductor de color. Este estado estaría formado por pares de quarks, análogos a los pares de Cooper (constituidos por electrones) existentes en los superconductores ordinarios.
Los quarks, a diferencia de los electrones, poseen grados de libertad asociados con el color, el sabor y el espín. Por este motivo, dependiendo del rango de densidades en el cual estamos trabajando, algunos patrones de apareamiento pueden verse favorecidos generando la aparición de distintas fases superconductoras de color. Según estudios teóricos, la fase superconductora más favorecida a densidades extremadamente altas sería la Color Flavor Locked (CFL), en la cual los quarks u, d y s poseen igual momento de Fermi, y en el apareamiento participan los tres colores y las dos proyecciones de espín de cada uno de ellos. Estudios recientes sobre la fase CFL han incluido los efectos de campos magnéticos intensos, obteniendo que bajo determinadas condiciones el gas superconductor, que corresponde a la separación entre bandas de energía en el espectro fermiónico, crece con la intensidad del campo. A esta fase se la llama Magnetic Color Flavor Locked (MCFL).
En la superconductividad electromagnética usual, un campo magnético suficientemente fuerte destruye el estado superconductor. Para la superconductividad de color no existe aún un consenso de cómo, la presencia del campo magnético, podría afectar al apareamiento entre los quarks.
En este trabajo describiremos brevemente la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una EQ. Posteriormente, utilizaremos el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of Technology (MIT) para encontrar las ecuaciones de estado de la ME en condiciones determinadas, comprobando la estabilidad de la misma, frente a la materia de quarks ordinaria formada sólo por quarks u y d. Presentaremos, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataremos de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.
Materia de Quarks:
Uno de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estándar en la física de partículas elementales. Este modelo sostiene que la materia en el Universo está compuesta por fermiones, divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre: el fotón (interacción electromagnética), los bosones W± y Zº (interacción débil), y 8 tipos de gluones (interacción fuerte). Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones: ( v e, e ), u, d ); ( vµ, µ ), ( c, s ) ; ( v….); y sus respectivas antipartículas. Cada “ sabor “ de los quarks, up ( u ), down ( d ), charme ( c ), strange ( s , top ( t ) y bottom ( b), tiene tres colores ( el color y el sabor son números cuánticos ). La partícula que aún no ha sido descubierta experimentalmente es el bosón de Higgs, que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.”
La Naturaleza de la Mente es el misterio más profundo de la Humanidad, se trata, además, de un enigma de proporciones gigantescas, que se remonta a milenios atrás, y que se extiende desde el centro del cerebro hasta los confines del Universo.
Tenemos conciencia de dónde estamos
Es un secreto que provocó vértigo y depresión en alguna de las mentes más preclaras de algunos de los filósofos y pensadores más grandes que en el mundo han sido. Sin embargo, este amplio vacío de ignorancia está, ahora, atravesado, por varios rayos de conocimiento que nos ayudará a comprender cómo se regula la energía mental. Hay personajes, como nuestro contertulio, de Argentina, Antonio Salguero que, con más o menos acierto, se preocupan por este misterio, y, al menos, exponen ideas nuevas y originales que… ¡Quién sabe…!
Vaya por delante que, son muchas las preguntas que no sabemos contestar: ¿Es la materia inerte?¿Es posible que pueda evolucionar hacia la consciencia y los pensamientos?¿Es como dice Salguero, una dualidad mental en la que están presentes dimensiones extra, y, la mecánica cuántica, o, partículas subatómicas, intervienen en un proceso desconocido, pero que está con nosotros?
El cerebro tiene una actividad permanente y tratamos de comprender sus mecanismos
Aunque puede que no sepamos que es la Mente, sabemos algunas cosas sobre el cerebro. Está formado por una red, una increíble maraña de “cables” eléctricos que serpentean a través de una gran cantidad de “sustancias” neuroquímicas.
Existen quizás cien mil millones de neuronas en el cerebro humano, tantas como estrellas hay en la Vía Láctea, y, cada una de ellas recibe datos eléctricos de alrededor de mil neuronas, además de estar en contacto y en comunicación con unas cien mil neuronas más.
Una rama de la Ciencia está empeñada en crear cerebros artificiales que superen al Humano
El suministro de datos que llega en forma de multitud de mensajes procede de los sentidos, que detectan el entorno interno y externo, y luego envía el resultado a los músculos para dirigir lo que hacemos y decimos. Así pues, el cerebro es como un enorme ordenador que realiza una serie de tareas basadas en la información que le llega de los sentidos. Pero, a diferencia de un ordenador, la cantidad de material que entra y sale parece poca cosa en comparación con la actividad interna. Seguimos pensando, sintiendo y procesando información incluso cuando cerramos los ojos y descansamos.
Es bien conocido y ha sido mil veces comprobado, el hecho de que, mientras dormimos, nuestras mentes siguen trabajando y las ideas bullen dentro del cerebro, e, incluso, no pocas veces, nos despiertan sobresaltados si el tema tratado es inquietante. Los pensamientos que el cerebro genera, durante todo el tiempo de nuestras vidas, están surgiendo como el producto inmaterial de una Mente prodigiosa que nos acompaña desde que nacemos y que toma consciencia en los primeros meses de nuestra niñez, a partir de esos momentos, va tomando forma y crece de manera exponencial: A más conocimientos más grande será la Mente para comprender el mundo que la rodea y el Universo al que pertenece.
Ramón y Cajal plasmó de manera exacta en estos dibujos lo que llevamos en el cerebro
La unidad a partir de la cual se configuran todas las fabulosas actividades del cerebro es una célula del mismo, la neurona. Las neuronas son unas células fantásticamente ramificadas y extendidas, pero diminutas.
La hipótesis neuronal de las células anatómicamente separadas se estableció cuando Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) modificó el método cromo-argéntico de Golgi y lo utilizó en una serie magistral de experimentos. Aunque Golgi y Ramón y Cajal compartieron el premio Nobel en 1906, siguieron siendo rivales encarnizados hasta el final.
Si todas las neuronas del cerebro, los cien mil millones, están anatómicamente separadas unas de otras, ¿Cómo podían los mensajes eléctricos que pasaban a través de cada una de ellas saltar de una neurona a la siguiente?. La respuesta es que no saltan sino que hacen otra cosa, y esto tiene una importancia fundamental en relación con el modo en que funciona el cerebro.
El descubrimiento fue realizado por Otto Loewi, cuando trabajaba en Australia durante la década de 1920. Loewei estaba trabajando con la transmisión neuronal del cerebro al corazón a través del nervio vago. Aisló el corazón de una rana con el nervio vago intacto, y demostró que la estimulación del nervio hacía que los latidos del corazón fueran más lentos. Pero él quería saber cómo se transmitía al corazón el mensaje eléctrico que transporta el nervio vago. ¿Se trataba de una conexión eléctrica o química, o de alguna otra cosa diferente? La clave estaba en una solución química que bañaba el corazón después de la estimulación del nervio vago que como consecuencia segregaba esta sustancia química que hacía de intermediaria en la transmisión del mensaje desde una célula a la siguiente.
El cerebro es una máquina más potente de lo que podemos comprender
Por lo tanto, los impulsos eléctricos nerviosos pasan a los extremos de las neuronas, donde la llegada del impulso hace que la terminación nerviosa libere una sustancia química (un neurotransmisor), que cruza el estrecho espacio que hay entre dos neuronas (la sinapsis), y entonces la sustancia química actúa sobre la segunda neurona para modificar su capacidad de emitir , a su vez, impulsos nerviosos. Cada neurona liberará sólo un tipo de neurotransmisor (habitualmente), pero lo liberará hacia muchas neuronas diferentes.
La Sinapsis es el espacio entre el extremo de una neurona y otra célula. Los impulsos nerviosos se transmiten habitualmente a la célula vecina por medio de sustancias químicas que se llaman neurotransmisores. La neurona libera los neurotransmisores y otra célula del otro lado de la sinapsis los recibe.
Las neuronas que tan importante función desarrollan en la dinámica general del cerebro
Existen dos neurotransmisores principales en el cerebro: el glutamato y el GABA. El glutamato actúa sobre la segunda neurona para aumentar la probabilidad de que emita un impulso nervioso (por lo que es un transmisor excitante), mientras que el GABA actúa para disminuir la probabilidad de que lo emita (luego es un transmisor inhibidor).
Constantemente recorre nuestro cuerpo miles de moléculas implicadas en la transmisión de información que conectan unos sistemas con otros: hormonal, neuronal o inmune. Estas moléculas, hormonas, citoquinas, factores varios o neurotransmisores hacen que nuestro organismo sea una entidad particular y personal. Uno de esos neurotransmisores, el principal excitatorio cerebral, es el glutamato…
El glutamato es un aminoácido producido por el cerebro a partir del momento en el que se cierra la barrera hematoencefálica y deja de poder captarse del torrente sanguíneo. Este compuesto se sintetiza en unas células denominadas astrocitos, que forman parte del conjunto glial que, a su vez, participan en el mantenimiento del conjunto del sistema nervioso –central y periférico-.
La energía está en nosotros y transmite datos y hace conexiones múltiples para conseguir el todo que somos
No obstante, una neurona no recibe una sola entrada desde una sinapsis neuronal individual, sino que recibe muchos miles. Decenas de miles de sinapsis desde miles de neuronas diferentes cubren la superficie ramificada de una sola neurona. Omito explicar aquí (podría ser tedioso para del lector) todos los mecanismos de los transmisores entre sinapsis y las ramas de salida (los axones) por las que se desplazan las señales eléctricas como ondas.
Una neurona, o una red de neuronas, puede así recoger información de muchas fuentes, incluidos los sentidos, la memoria y las emociones, para controlar la señal que ella misma va a emitir y que finalmente puede ocasionar una contracción o una relajación muscular.
Aditivos artificiales evitémoslos
El glutamato es el principal neurotransmisor del cerebro, pero paradójicamente es también una toxina poderosa para las células del sistema nervioso. Cuando los niveles de glutamato son bajos, actúan como una señal entre neuronas, pero si son excesivos las sobreexcitan y las matan.. Esta acción “excito-tóxica” del glutamato parece ser la causa de muerte neuronal durante las apoplejías y en las enfermedades neurodegenerativas, tales como la de Alzheimer, la de Parkison, y la esclerosis múltiples.
El glutamato es uno de los aditivos más frecuentes en los alimentos, presentándose en forma de sal como glutamato monosódico (GMS). Actúa reforzando el sabor y es omnipresente en la cocina china: la salsa de soja es especialmente rica en glutamato. Afortunadamente, el glutamato que está en el intestino y en la sangre apenas penetra en el cerebro, porque la barrera “sangre-cerebro” impide que glutamato cruce desde la sangre al cerebro.
La comida China no es siempre recomendable
No obstante, en medicina existe un trastorno conocido como “síndrome del restaurante chino” -donde nunca he comido, ni comeré- que puede aparecer por comer demasiados alimentos saturados de glutamato y que consiste en unos niveles tan elevados en la sangre que no puede impedir que entre en el cerebro y cause la muerte neuronal. Claro que, otras fuentes nos dicen que el GABA, actúa como calmante y de alguna manera, contrarresta el mal. De hecho, los barbitúricos, el principio activo de las píldoras para dormir que toman algunos enfermos depresivos y las benzodiacepinas, como el Librium o el Valium, que reduce la ansiedad, actúan, por ejemplo, reforzando la acción del GABA en su receptor neuronal.
Gira y gira… pero, ¿hacia qué lado la ves girar? Después de un rato mirándola fijamente, comenzó a girar hacia el lado contrario. ¿Me engaña la Mente?
Sí, la mente es poderosa y, si miras finamente la imagen de arriba, veras como la chica que gira hacia la derecha, de pronto, y sin saber cómo, la ves girando hacia la izquierda. ¿Es la mente la que produce el cambio?
Desde el punto de vista de la Termodinámica, el universo es el conjunto constituido por un sistema y sus alrededores. Es, por tanto, un sistema aislado (no hay nada fuera de él). De la misma manera en que se puede calcular la variación de entropía de un sistema termodinámico entre dos estados, puede calcularse la variación de entropía de sus alrededores (todo lo que ha interaccionado con nuestro sistema). La suma de ambas magnitudes se denomina variación de entropía del universo.
Como el universo es un sistema aislado, utilizando el teorema de Clausius se tiene que, para el universo:
Donde el signo igual es aplicable para una transformación reversible y el signo menor que cuando dicha transformación es irreversible. A continuación se analiza cada caso por separado.
Transformación irreversible
En el siguiente diagrama p – V se ha representado un ciclo irreversible.
Está constituido por dos transformaciones: la AB (representada en verde en la figura), que es irreversible, y la BA (en rojo) que es reversible. Como el ciclo en su conjunto es irreversible, debemos aplicar el teorema de Clausius con el signo menor:
La integral de línea que aparece en la ecuación anterior puede ser descompuesta en la suma de las integrales evaluadas en cada etapa del ciclo, quedando:
Ya que la integral evaluada a lo largo del tramo reversible es precisamente la variación de entropía entre los estados B y A. Por tanto,
Expresión conocida como desigualdad de Clausius.
El significado físico de esta ecuación es que la variación de entropía entre dos estados cualesquiera será siempre mayor que la integral del calor intercambiado irreversiblemente entre los dos estados partido por la temperatura.
Como aplicación de esta expresión, la variación de entropía en la expansión libre de Joule ha de ser mayor que cero (como efectivamente lo es) ya que el calor intercambiado en esta transformación irreversible es cero.
Como el universo es un sistema aislado, cuando en el universo se produce una transformación cualquiera AB irreversible el calor intercambiado es cero, por lo que:
Es decir, la entropía del universo siempre crece para cualquier transformación irreversible que se produzca.
Transformación reversible
Cuando en el universo tiene lugar una transformación reversible, debemos tomar el signo igual:
Agrupando ambos resultados:
Esta afirmación constituye un nuevo enunciado del Segundo Principio:
La entropía es una función de estado que, evaluada para todo el universo, aumenta en una transformación irreversible y permanece constante en una transformación reversible.
Salvo mejor parecer”
La Entropía “nació” cuando lo hizo el Universo y el Tiempo. Parece que los tres se pusieron de acuerdo, y, con el inexorable transcurso del último nombrado, se cumple ese Principio universal de que todo tiene un Principio y un Final, que nada permanece y todo se transforma en algo distinto a lo que fue, y, ese trabajo lo hace despiadadamente la Entropía.
Boltzmann
Descripción
En física estadística, la ecuación de Boltzmann es una ecuación de probabilidad que relaciona la entropía S de un gas ideal con la cantidad W, el número de microestados reales correspondientes al macro-estado de gas: donde kB es la constante de Boltzmann e igual a 1.38065×10⁻²³ J/K.
La mecánica estadística: fundamentos, entropía de Boltzmann, sistemas micro-canónico, canónico y macro-canónico, fermiones y bosones, gases ideales y la catástrofe ultravioleta.
Algunas fórmulas de la Física merecen estar en un lugar destacado para que, cualquiera que pase por allí las puedan ver y, al ver aquellos jeroglíficos matemáticos, poder preguntar por sus significados. Uno de esos casos es el que aquí contamos. Muy justamente, la fórmula a la que nos estamos refiriendo, está inscrita en la cabecera de la lápida que indica el lugar en donde descansan los restos de Ludwig Boltzmann en el cementerio Zentralfriedhof de Viena:
S = k log W
Cuando algo nos gusta y nos atrae, cuando es la curiosidad la que fluía nuestros deseos por saber sobre las cosas del mundo, del Universo y las fuerzas que lo rigen, cuando la Física se lleva dentro al poder reconocer que es el único camino que nos dará esas respuestas deseadas, entonces, amigos míos, los pasos te llevan a esos lugares que, por una u otra razón tienen y guardan los vestigios de aquellas cosas que quieres y admiras. Así me pasó cuando visité el Fermilab, la tumba de Hilbert y, también en Viena, donde no pude resistir la tentación de ver, con mis propios ojos esa imagen de arriba y, desde luego, pensar en lo mucho que significaba la escueta S = k log W que figura en la cabecera de la lápida de Boltzmann como reconocimiento a su ingenio.
La sencilla ecuación (como todas las que en Física han tenido una enorme importancia (E=mc2, por ejemplo), es la mayor aportaciópn de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la Física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación para el logaritmo es el siguiente: S es la entropía de un Sistema; W el número de microestados posibles de sus partículas elementales y k una constante de proporcionalidad que hoy día recibe el nombre de constante de Boltzmann y cuyo valor es k = 1,3805 x 10-23 J(K (si el logaritmo se toma en base natural). En esta breve ecuación se encierra la conexión entre el micro-mundo y el macro-mundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la Física conocida como Mecánica Estadística.
Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas
La entropía de un sistema es el desgaste que el sistema presenta por el transcurso del tiempo o por el funcionamiento del mismo. Los sistemas altamente entrópicos tienden a desaparecer por el desgaste generado por su proceso sistémico. Es una medida de desorden o incertidumbre de un sistema.
Como todas las ecuaciones sencillas de gran trascendencia en la física, hay un antes y un después de su formulación: sus consecuencias son de un calado tan profundo que han cambiado la forma de entender el mundo y, en particular, de hacer Física, a partir de ellas. De hecho, en este caso al menos, la sutileza de la ecuación es tal que hoy, más de cien años después de la muerte de su creador, se siguen investigando sus nada triviales consecuencias.
La energía libre no es libre.
La energía de un sistema cerrado se mantendrá constante.
La entropía de un sistema cerrado se mantendrá constante o aumentará.
Estos son los dos principios de la Termodinámica. Son, quizás, las leyes más sólidas y mejor demostradas de la naturaleza sostenidas por miles de observaciones experimentales y deducciones teóricas. Son estas misma leyes las que se pretenden violar una y otra vez cuando y charlatanes y embusteros tratan de separar a la gente de su dinero. Este es el caso de las Máquinas de Movimiento Perpetuo (MMP). La historia de estas máquinas es impresionante, la más antigua siendo una rueda diseñada por un astrónomo/astrólogo indio llamado Bhäskara II. Al principio los intentos para crear energía de la nada eran honestos; todavía no teníamos conocimientos como para entender cuán imposible era esto, cuan fundamental era el principio de que la energía no se crea ni se destruye. Intelectuales respetables como Pascal, Boyle y hasta Leonardo da Vinci diseñaron al menos una MMP.
Una de las consecuencias más importantes de la Entropía es, el principio de irreversibilidad del mundo macroscópico. Si las leyes de la Mecánica son reversibles, ¿Cómo es posible que haya una dirección temporal definida en el mundo que nos rodea, en la cual observamos que un vaso cae y se rompe pero nunca hemos podido observar que los añicos se recompongan para reconstruir el vaso original?
En una Revista de Física de las emitidas por la Real Sociedad Española de Física, pude leer un magnifico artículo que firmaba Joel Lebowitz (una autoridad mundial en la materia) en el cual, nos explicaba como la ecuación S = k log W podía dar una explicación satisfactoria del fenómeno.
Los signos de la Entropía son comunes en nuestras vidas cotidianas y, como tantas otras cosas, forman parte de nuestro mundo en nuestro quehacer del día a día en el que, siempre estamos tratando de combatir a la entropía destructora. Al menos, nosotros, siempre que pensamos en la entropía la asociamos al desorden. Cosas que se hacen viejas y se rompen, habitaciones que se llenan de polvo, muebles deteriorados por el paso del tiempo, y, nosotros mismos que vemos marcadas en las arrugas del cuerpo la inexorable huella de la entropía.
De la célebre ecuación podemos derivar que: a mayor desorden mayor cantidad de microestados, es decir, mayor entropía. Los sistemas evolucionan siempre hasta alcanzar su estado máximo de entropía. ¿Si es así, como algunos hablan de la entropía como creadora de orden?
¿Cómo puede la entropía crear orden, si a mayor entropía mayor desorden? Claro que, la ecuación que es el “personaje principal” de este trabajo, es mucho más sutil que cualquier interpretación heurística que pueda hacerse de ella, y se puede llegar a ver que, de acuerdo con esta ecuación, pueden simultáneamente en un sistema aumentar la entropía y crearse estructuras ordenadas.
La Entropía es el desorden
En las galaxias espirales tenemos un buen ejemplo de que, luchan contra la entropía que es la causa de la destrucción de estrellas que al llegar al final de sus vidas (máximo nivel de entropía), se valen de las explosiones supernovas para crear Nebulosas que, a su vez, con la ayuda de la interacción gravitatoria, hacen posible que surjan a la vida nuevas estrellas, burlando así a la entropía destructora.
En un texto profético sobre la era del ADN, en What is Life? de Erwin Shródinger, las nociones del código genético y metabolismo celular aún eran discutidas juntas. En su libro, Schrödinger adelantó la idea que el cromosoma contenía un “cristal aperiódico” en la forma de un “code-script”, inspirando posteriormente el descubrimiento de la forma de doble-hélice del ADN. Sin embargo aún es raro que los “genetistas populares” y los “teóricos de la vida” recuerden la teoría de la entropía negativa articulada en el mismo texto.
Es nuestra manera de luchar contra la Entropía
Todos los seres vivos nos valemos de la reproducción para burlar a la Entropía, y, aunque no podamos esquivarla a nivel individual, si que lo podemos hacer en el ámbito de la Civilización que, al reproducirse perdura. Aquí es donde entra la frase: “mientras haya muerte hay esperanza”. ¿Podríamos considerar como entes vivos a las Galaxias y a los mundos que, como el planeta Tierra se regenera mediante explosiones surper-novas, terremotos, erupciones volcánicas y otros fenómenos naturales?
Y pensar que la Entropía acabará algún día con nuestro Universo…Es duro de asimilar y, sin embargo…
La cuestión sobre la flecha del tiempo intriga a los científicos porque la mayor parte de las leyes fundamentales de la física no separan el pasado del futuro. El concepto de entropía, a su vez, se basa en el flujo del tiempo, ya que establece que el desorden o caos aumenta con el paso del tiempo, tal como señaló el físico Ludwig Boltzmann hace ya más de un siglo.
Espacio y tiempo son conceptos que no tienen sentido antes de la aparición de la materia en el Universo, por lo que en el modelo cosmológico actual se considera que el espacio y el tiempo aparecen con la materia en el mismo momento del Big-Bang.
Según este modelo cosmológico, a medida que el tiempo fluye, la entropía global del Universo también aumenta. Como la flecha del flujo del tiempo es irreversible, la flecha de flujo de la entropía también es irreversible. En el Universo, la cantidad de energía útil disminuye paulatinamente y aumenta la forma degradada de energía.
Dado que la entropía global siempre está en constante aumento, causará en algún momento el desplome térmico de todos los biosistemas en el Universo conocido, fenómeno conocido como Muerte Térmica del Bio-cosmos. Fin del Universo, de la vida, del tiempo y también de la entropía, según el actual modelo cosmológico.
Claro que, hablamos y hablamos de la Entropía pero, no caemos en la cuenta de que, en el Universo, todo está relacionado. Existen hilos invisibles que atan unas cosas a las otras e inciden sobre los comportamientos y, si eso es así (que lo es), deberíamos pensar en eso que llamamos “vacío cuántico” y preguntar: ¿Qué incidencia podría tener sobre esa entropía destructora?
En el vacío, la existencia del cuanto de acción que está íntimamente unida a la propia naturaleza de la energía de las fluctuaciones cuánticas obliga a que su estructura sea discontinua, escalonada, fractal (prefractal), lejos de la continuidad clásica, por ello la geometría fractal puede enseñarnos algo que antes no podíamos ver. Pero las fluctuaciones cuánticas de energía del vacío no son simples variaciones sobre un fondo absoluto y estático. Las fluctuaciones determinan la propia geometría del espacio, por lo que analizando su estructura podremos averiguar algo más sobre la referencia espaciotemporal que determinan. La forma en que se puede proceder a analizarlas es idéntica a como se determina la dimensión fractal de una costa o cualquier figura fractal sencilla. La pauta que nos guia, en nuestro caso, es la variación de la energía virtual de las fluctuaciones con la distancia. Desde distancias astronómicas hasta la Longitud de Planck la energía asociada está siempre en proporción inversa a dicha distancia: si para una distancia D se le asocia una energía E, para una distancia 2D se le asocia una energía E/2.A pesar de lo intrincadas e irregulares que son las fluctuaciones cuánticas su dependencia con el inverso de la distancia permite al vacío cuántico que se nos presente de forma, prácticamente, similar al vacío clásico a pesar de las tremendas energías a las que se encuentra asociado. En este efecto tuvo mucho que ver la particular geometría que adoptó nuestro Universo : 3 dimensiones espaciales ordinarias y 6 compactadas. Esta geometría y la propia naturaleza del cuanto de acción están íntimamente ligadas. Con otra geometría diferente las reglas de la mecánica cuántica en nuestro universo serían completamente diferentes.
La estabilidad del espacio-tiempo, de la materia y de la energía tal como los conocemos sería imposible y, a la postre, tampoco sería posible la belleza que esta estabilidad posibilita así como la propia inteligencia y armonía que, en cierta forma, subyace en todo el Universo.
Así que, entre el espacio que podemos ver, ese vacío que sabemos que está ahí y no podemos más más que algunas consecuencias de su existencia, lo que llamamos “materia oscura” que es la mayor concentración de “ese algo” que existe, y, que, bien podrían ser las semillas a partir de las cuales surge la materia normal o luminosa una vez que, con el tiempo y a partir de esa “semilla” se transforma en materia “normal”, Bariónica y, ahora sí, sujeta al electromagnetismo…Todo eso, amigos, no podría incidir de alguna manera en esa Entropía destructora que, sin que lo sepamos está siendo combatida por todos esos parámetros que ignoramos…a ciencia cierta.
Una ley científica es un fenómeno universal observado experimentalmente y que puede verificarse mediante el método científico.Algunas de leyes establecidas mediante el método científico que confirman la creación son:
Leyes de la Termodinámica y otras que henos podido descubrir pero… esa será otra historia.
Lo cierto es que, en los sistemas cerrados, el desorden siempre aumenta. Nosotros y el Universo somos sitemas cerrados.
Simplemente decir que, ¡Sin las estrellas no estaríamos aquí!
Las estrellas han estado diez mil millones de años fusionando elementos sencillos en otros más complejos. Esos materiales se han repartido por el Universo y han germinado en grandes nebulosas moleculares en las que se han formado sustancias y moléculas esenciales para la vida que, al formarse nuevas estrellas y mundos, han sido depositados en estos planetas para posibilitar una química que, en un ambiente adecuado, por evolución, puede hacer que la Vida florezca en distintos ecosistemas idóneos para ello.
Herschel-HIFI desvela los precursores moleculares de la vida en la Nebulosa.
El Observatorio Espacial Herschel de la ESA ha puesto de manifiesto las moléculas orgánicas que son la llave para la vida en la Nebulosa de Orión, una de las regiones más espectaculares de formación estelar en nuestra Vía Láctea. Este detallado espectro, obtenido con el Instrumento Heterodino para el Infrarrojo Lejano (Heterodyne Instrument for the Far Infrared, HIFI) es una primera ilustración del enorme potencial de Herschel-HIFI para desvelar los mecanismos de formación de moléculas orgánicas en el espacio.
Estas imágenes de Webb muestran una parte de la nebulosa de Orión conocida como la Barra de Orión. La imagen más grande, a la izquierda, proviene del instrumento cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de Webb. Arriba a la derecha, el telescopio se enfoca en un área más pequeña utilizando el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) de Webb. En el centro mismo del área observada con MIRI se encuentra un sistema estelar joven con un disco protoplanetario llamado d203-506. La ampliación de abajo a la derecha muestra una imagen combinada de NIRCam y MIRI de este joven sistema.
ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb) y el equipo de Primeras Observaciones Científicas PDRs4All
Detectaron moléculas orgánicas alrededor de una joven estrella: su relación con el origen de la vida.
Un equipo internacional reportó la presencia de 17 compuestos a unos 1300 años luz de la Tierra. El hallazgo incluye sustancias vinculadas a procesos biológicos, observadas en el disco de gas y polvo donde se forman nuevos planetas.
A casi 1.300 años luz de la Tierra se encuentra uno de los semilleros de estrellas más hermosos de nuestra galaxia. Y también de los más profusamente estudiados por el hombre. Allí, en la inmensidad del espacio, una enorme nube de gas de 24 años luz de diámetro está “fabricando” por lo menos 700 nuevas estrellas. Pero no solo eso, sino que también alberga en su interior todos los ingredientes necesarios para la vida . Se trata de la Nebulosa de Orión , tan brillante que puede ser observada a simple vista desde nuestro planeta.
¿Cómo todavía algunos piensan que solo en la Tierra está presente la Vida? Existen millones de mundos situados en las zonas habitables de sus estrellas en los que el agua líquida está presente, también océanos y una rica atmósfera y la presencia de todos los elementos creados en las estrellas y precursores del surgir de la vida.
El Universo es igual en todas partes, todas sus regiones (por lejos que puedan estar), se rigen por las cuatro leyes fundamentales y por las mismas Constantes universales, lo que nos lleva a pensar que, en todas partes pasarán las mismas cosas en condiciones idénticas.
Son millones las estrellas que pueden dar origen al surgir de la Vida
En 1929, el astrónomo norteamericano Harlow Shapley dijo “somos seres orgánicos que nos autodenominamos humanos, hechos de la misma materia que las estrellas”. Puede que esta fuera la primera referencia a la poética expresión “somos polvo de estrellas” que tanto fascina a muchos de nosotros.
Somos polvo de estrellas porque toda la materia se originó en el interior de ellas: en un principio, la única materia post-Big Bang eran simples átomos de hidrógeno que fueron transformándose en el resto de elementos a través de procesos de fusión debido a la presión en el corazón de las estrellas, que posteriormente expulsaron al exterior como consecuencia de explosiones estelares
La base de la vida puede formarse en polvo que rodea estrellas jóvenes
Un estudio basado en modelos informáticos permite concluir que las moléculas complejas esenciales para la vida pudieron formarse en poco tiempo en discos de polvo alrededor de estrellas jóvenes.
Así creemos que era la Tierra cuando hace unos 3.800 millones de años, surgió aquella primera célula replicante que inició la fascinante historia de la Vida en nuestro pequeño mundo. En aquella Tierra primitiva estaban todos los ingredientes necesarios, la química de los elementos creados en las estrellas mezclados con el agua líquida, la radiación, la atmósfera, los océanos….
¡El Universo! Gracias a la Astronomía, la Física, la Astrofísica y otras disciplinas y estudios relacionados, estamos conociendo cada día lo que en realidad es nuestro Universo que, nos tiene deparadas muchas, muchas sorpresas y maravillas que ni podemos imaginar. ¡Son tantas las cosas que aún tenemos que aprender de éste Universo Inmenso!
“Aproximadamente 250 millones de años después de que se produjera la gran explosión que dio origen al cosmos, el Big Bang, comenzaron a nacer las primeras estrellas del universo. Así lo revela una investigación llevada a cabo por un equipo internacional de astrónomos y publicada en la revista Nature. Los resultados del trabajo también han dado a conocer el oxígeno más distante jamás detectado.
La respuesta a esta gran pregunta de cuándo nacieron las primeras estrellas la ha facilitado el telescopio ALMA del Observatorio Europeo Austral (ESO), en Chile, gracias a los datos de observación de una galaxia lejana llamada MACS1149-JD1. Los investigadores detectaron un resplandor muy débil emitido por su oxígeno ionizado. Para cuando fue detectada la luz infrarroja en la Tierra, su longitud de onda era más de 10 veces mayor que cuando se originó.
Esta es la imagen más nítida jamás obtenida por ALMA, aún más precisa que las que se toman normalmente en luz visible con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. En ella vemos el disco protoplanetario que rodea a la joven estrella HL Tauri. Estas nuevas observaciones de ALMA revelan subestructuras dentro del disco que nunca antes se habían visto, e incluso muestran las posibles posiciones de los planetas formándose en las manchas oscuras dentro del sistema. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
La galaxia más lejana descubierta en nuestro Universo
Para averiguar cuándo tuvo lugar esta formación temprana de estrellas, los investigadores reconstruyeron los inicios de la historia de la galaxia MACS1149-JD1 utilizando datos infrarrojos tomados con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, descubriendo que el brillo observado de la galaxia puede explicarse con un modelo en el que el comienzo de la formación estelar arranca apenas 250 millones de años después del comienzo del universo.
La Doble Hélice es un reporte autobiográfico escrito por James D. Watson, un científico estadounidense conocido por descubrir la estructura del ADN junto a Francis Crick. La historia se ubica entre los años 1951 y 1953, en un ambiente posterior a la Segunda Guerra Mundial.
Actualmente el descubrimiento de la estructura del ADN se considera un trabajo conjunto de Maurice Wilkins, Rosalind Franklin, Linus Pauling, Francis Crick y James D. Watson.
Watson y Crick descubrieron que el ADN tenía forma doble hélice, que recuerda a una escalera de caracol formada por los nucleótidos como escalones.
Al principio, cuando el universo era simétrico, sólo existía una sola fuerza que unificaba a todas las que ahora conocemos, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débil y fuerte, todas emergían de aquel plasma opaco de alta energía que lo inundaba todo. Más tarde, cuando el universo comenzó a enfriarse, se hizo transparente y apareció la luz, las fuerzas se separaron en las cuatro conocidas, emergieron los primeros quarks para unirse y formar protones y neutrones, los primeros núcleos aparecieron para atraer a los electrones que formaron aquellos primeros átomos. Doscientos millones de años más tarde, se formaron las primeras estrellas y galaxias. Con el paso del tiempo, las estrellas sintetizaron los elementos pesados de nuestros cuerpos, fabricados en supernovas que estallaron, incluso antes de que se formase el Sol. Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que una supernova anónima explotó hace miles de millones de años y sembró la nube de gas que dio lugar a nuestro sistema solar, poniendo allí los materiales complejos y necesarios para que algunos miles de millones de años más tarde, tras la evolución, apareciéramos nosotros.
La liberación de los fotones hizo un universo transparente y la luz, recorrió, desde entonces, todos los confines del Cosmos. La velocidad de salida intrínseca de fotones ionizantes en alrededor de 2.000 millones de años después del Big Bang. la interpretación del escape de radiación durante las “edades oscuras” cósmicas, un tema que está obligado a florecer con la llegada de los telescopios de 30 metros, –que permitirán una investigación inviable hoy–, y el telescopio James Webb, sucesor del telescopio espacial Hubble.
Las estrellas evolucionan desde que en su núcleo se comienza a fusionar hidrógeno en helio, de los elementos más ligeros a los más pesados. Avanza creando en el horno termonuclear, cada vez, metales y elementos más pesados. Cuando llega al hierro y explosiona en la forma descomunal de una supernova. Luego, cuando este material estelar es otra vez recogido en una nueva estrella rica en hidrógeno, al ser de segunda generación (como nuestro Sol), comienza de nuevo el proceso de fusión llevando consigo materiales complejos de aquella supernova.
Puesto que el peso promedio de los protones en los productos de fisión como el cesio y el kriptón, por ejemplo, es menor que el peso promedio de los protones de uranio, el exceso de masa se ha transformado en energía mediante E = mc2. Esta es la fuente de energía que subyace en la bomba atómica de tan malos recuerdos.
Así pues, la curva de energía de enlace no sólo explica el nacimiento y muerte de las estrellas y la creación de elementos complejos que también hicieron posible que nosotros estemos ahora aquí y, muy posiblemente, será también el factor determinante para que, lejos de aquí, en otros sistemas solares a muchos años luz de distancia, puedan florecer otras especies inteligentes que, al igual que la especie humana, se pregunten por su origen y estudien los fenómenos de las fuerzas fundamentales del universo, los componentes de la materia y, como nosotros, se interesen por el destino que nos espera en el futuro.
El Disco de una proto-estrella
Una proto-estrella es aquella que acaba de nacer, cuando en esa fase del nacimiento lanza grandes cantidades de hidrógeno y oxígeno desde sus polos, se está formando y mediante estos mecanismos busca la estabilidad que la mantendrá fusionando hidrógeno en helio durante miles de millones de años.
Cuando alguien oye por vez primera la historia del nacimiento, vida y muerte de las estrellas, por regla general (lo se por experiencia) no dice nada, sin embargo, su rostro refleja escepticismo. ¿Cómo de gas y polvo puede surgir una estrella? ¿Cómo puede vivir10.000 millones de años? Después de todo, nadie ha vivido tanto tiempo como para ser testigo de su evolución. Y, si es así, ¿Cómo pueden saberlo? Bueno, lo cierto es que sí, tenemos los medios necesarios para saber eso…y mucho más.
Un extraño animal ha nacido en una granja del estado de Sabah (Malasia) y lejos de tratarse de una criatura mitológica, es una cabra cíclope. Este raro espécimen se caracteriza por tener un solo ojo y nace una sola vez en 16.000, y su esperanza de vida es muy corta
El Universo no tiene límites y todo lo que podamos pensar que está presente en él, ahí estará. Fijaos en lo que nos mostró National Geographic, las imágenes de un raro ejemplar de un solo ojo descubierto por pescadores en el Golfo de California. National Geographic acostumbra a asombrar al mundo con sus espectaculares fotografías, en ocasiones de especies tan asombrosas que parecen sacadas de otro mundo. ¿Qué no habrá por ahí fuera?
Cambiando de tema y dada la enorme importancia que tiene el Sol para la Vida en la Tierra, habría que pensar desde ya, que el Sol, como todo en nuestro Universo, tiene un principio y tendrá un final. “Nació” de una Nebulosa creada por una explosión Supernova. En esa Nebulosa de crearon nuevas estrellas y planetas, el Sol y el Sistema Solar, y, la Tierra, tuvo la suerte (más bien la tuvimos nosotros), de caer en el lugar que llaman habitable, allí donde las temperaturas no te fríen o te congelan y el agua corre líquida y cantarina.
Los elementos químicos presentes en el joven planeta Tierra, la radiación, la creación de la Atmósfera, los océanos,,, Todo ello contribuyó a que surgiera aquella primera célula replicante que dio la señal de salida de todas las formas de vida en la Tierra y que fueron cambiando a medida que evolucionaban y, mientras unas desparecían por no saber adaptarse, otras se agarraban con uñas y dientes a la vida para prevalecer.
Es curioso saber que los Chimpancé y los humanos, tuvieron un ancestro común que no era ni Homo ni Pan. No hemos llegado a saber por qué, un buen día, las dos ramas divergieron y mientras uno sigue en la copa de los árboles, los otros tratan de llegar a las estrellas.
Nosotros los humanos nos seguimos haciendo las preguntas: ¿Quiénes somos? ¿De dónde venimos? ¿Hacia dónde vamos? Y, sabemos que en el pasado tuvimos un ancestro común con el Chimpancés, y, no sabemos el por que, en un cierto momento, las dos ramas divergieron, y, mientras el chimpancés sigue en la copa de los árboles, nosotros los humanos hemos evolucionado y tratamos de llegar a las estrellas.
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por Emilio Silvera ~
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