lunes, 01 de mayo del 2017 Fecha
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¿La Materia? Y, posiblemente…, algo más.

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Los estados de la materia    ~    Comentarios Comments (0)

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El Plasma, ese otro estado de la Materia (el cuarto dicen) que, según sabemos, resulta ser el más abundante del Universo. Todos desde pequeños aprendimos aquellos tres estados de la amteria que cantábamos en el patio del centro educativo durante el recreo, donde todos a una gritábamos como papagayos: “Sólido, líquido y gaseoso”. Nada nos decían del Plasma, ese estado que, en realidad, cubre el 99% del estado de la materia en nuestro Universo (bueno, hablamos de la materia conocida, esa que llamamos bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones).

Según la energía de us partículas, los plasmas (como digo) constituyen el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, liquidos y gases. Parqa cambiar de uno al otro, es necesario que se le aporte energía que aumente la temperatura. Si aumentamos de manera conasiderable la temperatura de un gas, sus átomos o moléculas adquieren energía suficiente para ionizarse al chocar entre sí. de modo que a ~ 20.000 K muchos gases presentan una ionización elevada. Sin embargo, átomos y moléculas pueden ionizarse también por impacto electrónico, obsorción de fotones, reacciones químicas o nucleares y otros procesos.

                        El Plasma está presente en el espacio exterior en muchas formas y objetos

Aquí podemos contemplar una enorme región ionizada en la Nebulosa del Pelícano. Estrellas nuevas emiten potente radiación ultravioleta que ataca el espesor de la Nebulosa molecular y hace que, el gas se ionice fuertemente creando una luminosidad que “viste” de azul claro todo el contorno que circunda el radio de acción de las estrellas.

Un plasma es un gas muy ionizado, con igual número de cargas negativas y negativas.Las cargas otorgan al Plasma un comportamiento colectivo, por las fuerzas de largo alcance existente entre ellas. En un gas, cada partícula, independientemente de las demás, sigue una trayectoria rectilinea, hasta chocar con otra o con las grandes paredes que la confinan. En un plasma, las cargas se desvían atraídas o repelidas por otras cargas o campos electromagnéticos externos, ejecutando trayectorias curvilineas entre choque y choque. Los gases son buenos aislantes eléctricos, y los plasmas, buenos conductores.

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En la Tierra, los plasmas no suelen existir en la naturaleza, salvo en los relámpagos, que son trayectorias estrechas a lo largo de las cuales las moléculas de aire están ionizadas aproximadamente en un 20%, y en algunas zonas de las llamas. Los electrones libres de un metal también pueden ser considerados como un plasma. La mayor parte del Universo está formado por materia en estado de plasma. La ionización está causada por las elevadas temperaturas, como ocurre en el Sol y las demás estrellas, o por la radiación, como sucede en los gases interestelares o en las capas superiores de la atmósfera.

Así que, aunque escasos en la Tierra, el Plasma constituye la materia conocida más abundante del Universo, más del 99%. Abarcan desde altísimos valores de presión y temperatura, como en los núcleos estelares, hasta otros asombrosamente bajos en ciertas regiones del espacio. Uno de sus mayores atractivos es que emiten luz visible, con espectros bien definidos, particulares en cada especie. Algunos objetos radiantes, como un filamento incandescente, con espectro continuo similar al cuerpo negro, o ciertas reacciones químicas productoras de especies excitadas, no son plasmas, sin embargo, lo son la mayoría de los cuerpos luminosos.

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                                           Bombilla de incandescencia

Los Plasmas se clasifican según la energía media (o temperatura) de sus partículas pesadas (iones y especies neutras). Un primer tipo son los Plasmas calientes, prácticamente ionizados en su totalidad, y con sus electrones en equilibrio térmico con las partículas más pesadas. Su caso extremo son los Plasmas de Fusión, que alcanzan hasta 108 K, lo que permite a los núcleos chocar entre sí, superándo las enormes fuerzas repulsivas internucleares, y lñograr su fusión. Puede producirse a presiones desde 1017 Pa, como en los núcleos estelares, hasta un Pa, como en los reactores experimentales de fusión.

Foto: Plasma Science and Fusion Center

Los reactores de fusión nuclear prácticos están ahora un poco más cerca de la realidad gracias a nuevos experimentos con el reactor experimental Alcator C-Mod del MIT. Este reactor es, de entre todos los de fusión nuclear ubicados en universidades, el de mayor rendimiento en el mundo.

Los nuevos experimentos han revelado un conjunto de parámetros de funcionamiento del reactor, lo que se denomina “modo” de operación, que podría proporcionar una solución a un viejo problema de funcionamiento: cómo mantener el calor firmemente confinado en el gas caliente cargado (llamado plasma) dentro del reactor, y a la vez permitir que las partículas contaminantes, las cuales pueden interferir en la reacción de fusión, escapen y puedan ser retiradas de la cámara.

Otros Plasmas son los llamados térmicos, con e ~lectrones y especies pesadas en equilibrio, pero a menor temperatura ~ 103 – 104 K, y grados de ionización intermedios, son por ejemplo los rayos de las tormentas o las descargas en arcos usadas en iluminación o para soldadura, que ocurren entre 105 y ~ 102 Pa. Otro tipo de Plasma muy diferente es el de los Plasmas fríos, que suelen darse a bajas presiones ( < 102 Pa), y presentan grados de ionización mucho menores ~ 10-4 – 10-6. En ellos, los electrones pueden alcanzar temperaturas ~ 105 K, mientras iones y neutros se hallan a temperatura ambiente. Algunos ejemplos son las lámparas de bajo consumo y los Plasmas generados en multitud de reactores industriales para producción de películas delgadas y tratamientos superficiales.

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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. Y, para que todo eso sea posible, los Plasmas tienen que andar muy cerca.

En los Plasmas calientes de precursores moleculares, cuanto mayor es la ionización del gas, más elevado es el grado de disociación molecular, hasta poder constar solo de electrones y especies atómicas neutras o cargadas; en cambio, los Plasmas fríos procedentes de especies moleculares contienen gran proporción de moléculas y una pequeña parte de iones y radicales, que son justamente quienes proporcionan al Plasma su característica más importante: su altísima reactividad química, pese a la baja temperatura.

Rho Ophiuchi

En la Naturaleza existen Plasmas fríos moleculares, por ejemplo, en ciertas regiones de las nubes interestelares y en las ionosfera de la Tierra y otros planetas o satélites. Pero también son producidos actualmente por el ser humano en gran variedad para investigación y multitud de aplicaciones.

En un número de la Revista Española de Física dedicado al vacío, el tema resulta muy apropiado pues no pudieron generarse Plasmas estables en descargas eléctricas hasta no disponer de la tecnología necesaria para mantener presiones suficientemente bajas; y en el Universo, aparecen Plasmas fríos hasta presiones de 10 ⁻ ¹⁰ Pascales, inalcanzable por el hombre.

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Lo que ocurre en las Nubes moleculares es tan fantástico que, llegan a conseguir los elementos necesarios para la vida prebiótica que, tras los parámetros adecuados dan lugar al surgir de la vida.

El papel de las moléculas en Astronomía se ha convertido en un área importante desde el descubrimiento de las primeras especies poliatómicas en el medio interestelar. Durante más de 30 años, han sido descubiertas más de 150 especies moleculares en el medio interestelar y gracias al análisis espectral de la radiación. Muchas resultan muy exóticas para estándares terrestres (iones, radicales) pero buena parte de estas pueden reproducirse en Plasma de Laboratorio. Aparte del interés intrínseco y riqueza de procesos químicos que implican, estas especies influyen en la aparición de nuevas estrellas por su capacidad de absorber y radiar la energía resultante del colapso gravitatorio, y de facilitar la neutralización global de cargas, mucho más eficientemente que los átomos.

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Su formación en el espacio comienza con la eyección de materia al medio interestelar por estrellas en sus últimas fases de evolución y la transformación de éstas por radiación ultravioleta, rayos cósmicos y colisiones; acabando con su incorporación a nuevas estrellas y Sistemas planetarios, en un proceso cíclico de miles de millones de años.

En las explosiones supernovas se producen importantes transformaciones en la materia que, de simple se transforma en compleja y dan lugar a todas esas nuevas especies de moléculas que nutren los nuevos mundos.

El H₂ y otras moléculas diatómicas homonucleares carecen de espectro rotacional. Detectando las débiles emisiones cuadrupolares del H₂ en infrarrojo, se ha estimado una proporción de H₂ frente a H abrumadoramente alto ( ~ 104) en Nubes Interestelares con densidades típicas de ~ 104 partículas /cm3; pero dada la insuficiente asociación radiativa del H para formar H2, ya mencionada, el H2 debe producirse en las superficies de granos de polvo interestelar de Carbono y Silicio, con diámetros ~ 1 nm — μm, relativamente abundantes en estas nubes.

Experimentos muy recientes de desorción programada sobre silicatos ultrafríos, demuestran que tal recombinación ocurren realmente vía el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood, si bien los modelos que expliquen las concentraciones de H2 aún deben ser mejorados.

Por otro lado, ciertas regiones de las nubes en etapas libres de condensación estelar presentan grados de ionización ~ 10-8 - 10-7 a temperaturas de ~ 10 K. La ionización inicial corresponde principalmente al H2 para formar H2 +, que reacciona eficientemente con H2, dando H3 + + H (k = 2• 10-9 cm3 • s-1.

El H3, de estructura triangular, no reacciona con H2 y resulta por ello muy “estable” y abundante en esas regiones de Nebulosas intelestelares, donde ha sido detectado mediante sus absorciones infrarrojas caracterizadas por primera vez en 1980 en descargas de H2 en Laboratorio.

Orión en gas, polvo y estrellas

La constelación de Orión contiene mucho más de lo que se puede ver, ahí están presentes los elementos que como el H2 que venimos mencionando, tras procesos complejos y naturales llegan a conseguir otras formaciones y dan lugar a la parición de moléculas significativas como el H2O o HCN y una gran variedad de Hidrocarburos, que podrían contribuir a explicar en un futuro próximo, hasta el origen de la vida.

La detección por espectroscopia infrarroja de COH+ y N2H+, formados en reacciones con H3 + a partir de CO y N2, permite estimar la proporción de N2/CO existente en esas regiones, ya que el N2 no emite infrarrojos. Descargas de H2 a baja presión con trazas de las otras especies en Laboratorio conducen casi instantáneamente a la aprición de tales iones y moléculas, y su caracterización puede contribuir a la comprensión de este tipo de procesos.

Así amigos míos, hemos llegado a conocer (al menos en parte), algunos de los procesos asombrosos que se producen continuamente en el Espacio Interestelar, en esa Nebulosas que, captadas por el Hubble u otros telescopios, miramos asombrados maravilándonos de sus colores que, en realidad, llevan mensajes que nos están diciendo el por qué se producen y que elementos son los causantes de que brillen deslumbrantes cuando la radiación estelar choca de lleno en esas nubes en la que nacen las estrellas y los nuevos mundos…y, si me apurais un poco…, ¡también la vida!

Sin embargo, creer que hemos completado la relación de las formas que la materia puede adoptar en el Universo… ¡Sería un error! Toda vez que, hay formas de materia que ni podemos imaginar y, no me refiero precisamente a la mal llamada “materia oscura”, sino que, en situaciones muy especiales, la materia puede adoptar formas y maneras que no hemos llegado a descubrir. Por ejemplo, ¿qué clase de materia es la que conforma la singularidad de un agujero negro? Cuando la materia es presionada a densidades tan inmensas que nada puede frenar la contracción a la que la lleva la fuerza de gravedad que, hasta donde podemos saber, allí se crea un punto de energía y densidad infinito donde el espacio se ha curvado hasta dejar de exisitr y el tiempo se ha detenido. Qué clase de partículas pueden conformar ese misterioso y exótico objeto.

También se sospecha que pueden existir estrellas de Quarks-Gluones, es decir, estrellas formadas de plasma de de Quark-Gluon que sea la intermedia entre la de Neutrones y el Agujero Negro.  Esto es un indicio de la existencia del condensado quark-gluon. Este condensado sería un de la materia en los que quarks y gluones estarían en equilibrio de color (estado neutro) y se alcanzaría a alta densidad y temperatura.  Por así decirlo, las partículas hadrónicas se ‘fundirían’ y tendrían un comportamiento colectivo.  Se piensa que el universo estuvo en fase al principio de su evolución. Estudiar este estado de la materia nos ayudaría a entender la estructura de los núcleos, la interacción fuerte y los estados iniciales del universo.

bariones <a href=mesones" width="196" height="257" />proton complicado

Hadrones, quarks, colores y gluones

Los hadrones son partículas no elementales, están formadas por constituyentes más básicos, que son capaces de interactuar bajo la interacción fuerte. Actualmente sabemos que los Hadrones están formados por Quarks. Y tenemos una subclasificación:

  1. Mesones–> Formados por un quark y un antiquark.
  2. Bariones–> Formados por tres quarks.

La interacción fuerte solo es sentida por partículas que tienen una carga específica que puede tomar tres valores. A esta carga la llamamos, color.

Todos sabemos que la carga eléctrica, que es la involucrada en la interacción electromagnética, tiene dos posibilidades, positiva y negativa. La carga de color puede ser de tres tipos:

  • Rojo  (R, de red en inglés)
  • Azul  (B, de azul en inglés)
  • Verde (G, de green en inglés)

La teoría que describe las interacciones entre partículas elementales nos dice que dichas interacciones se deben al intercambio de unas partículas denominadas, bosones mensajeros.  Para la interacción fuerte estos bosones son  los gluones.

Hay un cierto revuelo en torno al tema este de las “gotas de líquido más pequeñas del mundo” generadas en el LHC. Esto es debido a un artículo reciente sobre colisiones de protones con núcleos de plomo y colisiones dichos núcleos. Este es un gran paso experimental y nos dará muchas pistas sobre el de plasma de quark-gluones y de la interacción fuerte. Sin duda, se han conseguido las gotas más pequeñas de la historia.

 

 

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.

 

 

 

Se especula con la posibilidad de que existan estrellas de Quarks que estarían hechas de materia extraña de Quaks y Gluones. Sabemos como se forman las estrellas enanas blancas, las de Neutornes y sus variedades en púlsares y magnétares, también creemos saber como una estrellas upermasiva llega a convertirse en un agujero negro. Sin embargo, no hemos podido obtener ninguna prueba de la existencia de estrellas de Quarks-Gluones, una forma de la materia que se viene sospechando pueda existir en el Universo.

 

 

 

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.

El plasma de quark-gluones (QGP) es una fase de la cromodinamica cuántica  (QCD) que existe cuando la temperatura  y/o la densidad son muy altas. Este estado se compone de quarks y gluones (casi) libres que son los componentes básicos de la materia. Se cree que existió durante los primeros 20 a 30 microsegundos después de que el universo naciera en la Gran Explosión. Los experimentos en el Super Proton Synchrotron (SPS) del CERN trataron primero de crear QGP en los años ochenta y noventa, y pudo haber sido parcialmente conseguido. Actualmente, experimentos en el Colisionador de Iones Relativamente Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven (Estados Unidos) continúan este esfuerzo. Tres nuevos experimentos se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones  (LHC) del CERN, ALICE,  ATLAS y CMS, continuando con el estudio de las propiedades del QGP.

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Claro que somos muy dados a tratar de descubrir todas estas cuestiones y, desde luego, la materia ha sido siempre uno de los objetivos más estudiados por los científicos de nuestra especie que, la ha observado y estudiado y experimentado con ella en todos los ámbitos habidos y por haber, tanto en los laboratorios como en el espacio interestelar, estudiando sus formas y sus transformaciones por temperaturas o químicas, o, por fuerzas inmensas… Sin embargo, yo me preguntaria: ¿Qué clase de materia tan especial conforma nuestras mentes para que puedan llegar a generar ideas?

Es al menos sorprendente de que la materia, tras evolucionar durante miles de millones de años por el Universo y en las Estrellas, viniera a parar a pequeños lugares, receptículos cerrados en los que se conforman en cerebros que maduran, reciben información y, finalmanete, son poseedores de un intelecto que les permite, a sus portadores, a poder comprender y entablar diálogos y discuisipones sobre todas estas cuestionres complejas.

¿Qué maravilla es esa?

emilio silvera

La física que nos lleva hacia el futuro

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Tendencias21 – en su apartado de tendencias científicas, publica la noticia de que, la mecánica cuántica en un Modelo informático basado en la famosa ecuación de E. Schrödinger, ha podido descubrirse la interacción de sus moléculas.

Mps lo cuentan de esta manera:

 

“La ecuación de Schrödinger, uno de los fundamentos de la teoría de la mecánica cuántica, ha desvelado el funcionamiento de las moléculas del agua gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes. Formada por dos átomos de hidrógeno y por uno de oxígeno, se cree que el secreto de las propiedades de este líquido tan común como misterioso radica en la capacidad de sus moléculas para formar determinados enlaces entre los átomos de hidrógeno. El desarrollo de este nuevo modelo informático podría tener múltiples aplicaciones, y quizá resuelva determinadas cuestiones como la razón por la que el agua, en estado sólido (hielo), no se hunde dentro de sí misma.” Por Yaiza Martínez.

 

 

Omololu Akin-Ojo and David Barczak. University of Delaware.
Omololu Akin-Ojo and David Barczak. University of Delaware.
Sigue el reportaje:
Esencial para todas las formas de vida, y objetivo eterno de estudio, el aguaes una sustancia con algunos misterios que aún no han podido ser revelados, al menos desde la física clásica.El acercamiento a este extraño elemento constitutivo, sin embargo, desde la perspectiva de la física cuántica (la ecuación de Schrödinger para ser más exactos), y gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes, ha revelado la estructura subyacente del conjunto de moléculas aparentemente sencillas del agua, que están formadas “tan sólo” por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.El logro lo ha alcanzado un equipo de científicos de la universidad norteamericana de Delaware y de la Radboud University de Holanda, que han desarrollado un método para desvelar las propiedades ocultas del agua, y sin necesidad de concienzudos experimentos de laboratorio: simplemente, informática.

 

 

            Principios fundamentales

Y es que, en teoría, toda la química y la física de la materia a escala macroscópica podría ser descrita íntegramente por una enorme ecuación de Schrödinger aplicable a más de 10 elevado a 23 átomos de una unidad de materia.

Utilizar esta ecuación y aplicarla de manera eficaz es actualmente posible gracias al uso de ordenadores con una capacidad de cálculo superpotente, que permitirían comprender algunas de las enigmáticas propiedades del agua. Este de herramienta informática de análisis ya se ha aplicado en otros campos, como la meteorología y la mecánica celeste.

Los resultados de la investigación han sido publicados por la revista Science y han sido explicados en un comunicado de la universidad de Delaware. La investigación ha liderada por el profesor de física y astronomía de dicha universidad, Krzysztof Szalewicz, que ha colaborado con Robert Bukowski, de la Cornell University, y Gerrit Groenenboom y Ad van der Avoird, del Institute for Molecules and Materials de la Radboud University.

 

 

 

              Propiedades extrañas

Todo el mundo sabe que una molécula de agua es H2O, pero, aunque su composición parezca simple, el agua líquida en realidad es mucho más compleja que eso. Por ejemplo, señala Szalewicz, contrariamente a otros líquidos, el agua aumenta de volumen cuando se congela, lo que explica que el hielo flote en el agua. Por otro lado, el agua absorber grandes cantidades de calor antes de empezar a calentarse y lo libera lentamente mientras se enfría.

Las características únicas del agua parecen relacionarse con su estructura molecular y con la capacidad de sus moléculas para formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. El hidrógeno de la molécula del agua tiene una carga ligeramente positiva, mientras que la carga del otro extremo de la molécula es ligeramente negativa.

Tradicionalmente se pensó que en el agua en líquido cada molécula se coordinaba con una media de otras cuatro moléculas gracias a estos enlaces de hidrógeno. Sin embargo, posteriormente se descubrió que esta coordinación tiene lugar sólo con dos moléculas.

              Sin agua ¿Qué econsistemas se habrúan formado en nuestro planeta?
AmbigüedadesTodas estas ambigüedades del agua han sido estudiadas desde la mecánica cuántica por Szalewicz y sus colegas, aplicando leyes de la física a un nivel microscópico.El resultado: los investigadores han conseguido generar un marco teórico para describir la estructura y el comportamiento de la molécula del agua átomo a átomo, gracias a los ordenadores de última generación, multiprocesadores, capaces de aportar soluciones bastante ajustadas de las ecuaciones de la mecánica cuántica para la descripción de las fuerzas que ejercen unas moléculas del agua sobre otras. Esto debería permitir desvelar el porqué de las extrañas propiedades de este líquido.

Con un conjunto de ordenadores Linux funcionando en paralelo, y que realizaron cálculos a gran escala, el estudio tardó varios meses en completarse. El nuevo modelo puede predecir con bastante exactitud, tanto las propiedades de un par de moléculas de agua, como las del agua en líquido.

Las aplicaciones de este novedoso modelo, señalan los investigadores, van desde la posibilidad de comprender mejor el agua en diversos estados y en extremas, hasta el estudio de otros líquidos y sistemas moleculares, el ADN en biología o el llamado plegamiento de proteínas (proceso por el que una proteína alcanza su estructura tridimensional), entre otras.”

Hasta aquí el bonito reportaje y, después de leerlo, nos podríamos preguntar:
¿sería posible una vida sin agua? Todos los expertos opinan que no, que al menos en nuestro mundo, el agua, como nos dijo Tales de Miletos hace miles de años, es esencial para la vida y, precisamente por eso la debemos conocer en profundidad y desvelar los secretos que esconde.
El Reportaje va bien encaminado en esa dirección.
emilio silvera.

 

 

 

 

 

 

El cuarto estado de la materia: ¡Plasma! ¿Habrá otros?

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En la Naturaleza hay muchos sistemas que exhiben estructuras, patrones y comportamientos dinámicos que no se esperan a priori dadas las leyes que gobiernan el comportamiento de los elementos que los componen. Se les llama sistemas complejos.

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               En un Bosque Tropical, por muchas razones, también está presente la complejidad

Hay varios ingredientes comunes a casi todos ellos. Son en su mayoría sistemas que se mantienen fuera del equilibrio termodinámico por acción externa. En ellos, se establecen fuertes interacciones no-lineales entre un gran número de componentes o grados de libertad; existen umbrales locales para la excitación de inestabilidades; asimismo, hay abundantes fluctuaciones y ruidos de distinto tipo y naturaleza. Ejemplos de estos sistemas son los Forestales, las Placas Testónicas e incluso muchos sistemas sociales y económicos. Pero, en este caso, nos centraremos en un sistema complejo que está presente en el Universo y que, es en realidad el estado más común que adopta la materia conocida: ¡El plasma!

Sección del reactor Tokamak de ITER, el más rentable y prometedor de todos los reactores de fusión termonuclear.

La dinámica del plasma es extremadamente compleja, y en la actualidad no se ha logrado comprenderla por completo. Científicos del Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), que han trabajado en el cálculo de plasmas para el Stellarator español TJ-II, y del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) de la Universidad de Zaragoza realizan simulaciones de plasmas que se obtendrán en el proyecto ITER.

Pero continuémos con el artículo…

Comportamientos de este tipo son también comunes en muchos Plasmas, un estado de la materia similar a un gas en el que las partículas están ionizadas y que son extremadamente comunes en nuestro Universo. Aunque las ecuaciones que las gobiernan son relativamente simples, su comportamiento es muy variado debido a la extrema sensibilidad que tienen a la presencia de campos magnéticos y eléctricos.

En nuestro Universo, el Plasma está presente en mucho lugares y, de hecho, es la forma más común de la materia conocida y que podemos observar, es decir, la Bariónica, la que emite radiación. Todas las estrellas del cielo están compuestas de materia en forma de plasma. También son filamentos de plasma los que podemos observar en los remanentes de supernovas.

                                                                      Condensación de Bose-Einstein

¿Cómo cuarto estado? ¿Es que no existen tres estados? Existe el gas, el líquido y el sólido…¿existen mas estados? Pues sí que existen y, además del Plasma, existe todavía un quinto estado de la materia: los condensados de Bose-Einstein, predichos por Bose y Einstein en 1924, realizados en el laboratorio durante el año 1995 por Eric Cornell, Wolfgan Ketterle y Carl Wieman. Ganadores éstos del Nobel en el 2001, pudieron enfriar átomos hasta casi dejarlos inmóviles. Éste nuevo estado poseen propiedades que otros estados no poseen como la superconductividad y la superfluidez. Sigamos.

Por ello, los Plasmas se encuentran a menudo en la frontera entre comportamiento ordenado y desordenado, siendo tan inadecuado describirlos usando funciones matemáticas sencillas y suaves como mediante formalismos puramente aleatorios. En este artículo, Raúl Sánchez, Boudewijn Ph, van Milligen y Juan M.R. Parrondo, repasan algunos de los comportamientos complejos observados en Plasmas diversos, desde los de interés para generar energía de fusión hasta Plasmas atmosféricos, solares y astrofísicos.

 

¿Qué son los Plasmas Astrofísicos?  Pues arriba, en la imagen de la Nebulosa de Orión está presente

Las características de los plasmas astrofísicos (su densidad, su temperatura y su campo magnético) cubren un amplio rango de valores en el Universo. La densidad puede ser de menos de una partícula por centímetro cúbico (como en el medio intergaláctico) hasta muchos millones de millones de partículas por centímetro cúbico como (en el interior de las estrellas). La temperatura va desde algunos miles o decenas de miles de grados en los espacios intergaláctico e interestelar hasta varios millones en el interior de las estrellas. Y los valores del campo magnético también cambian muy drásticamente, desde valores de millonésimas de Gauss en el plasma intergaláctico hasta cientos de miles de Gauss en algunas estrellas. En astrofísica, pues, es fundamental la investigación de los plasmas magnetizados.

En las últimas décadas ha adquirido gran popularidad la llamada comunmente teoría de la complejidad. El número de artículos, libros y trabajos que de una manera u otra se engloban dentro de lo que se llama complejidad es gigantesco. Sin embargo, no existe tal teoría de la complejidad, al menos en el sentido tradicional de una teoría cerrada al estilo de la relatividad o la mecánica cuántica.

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    Si observamos con atención, podemos ver cómo en el Universo, muchas cosas se repiten y tienden a copiar patrones

Lo que se conoce como teoría de la complejidad es más bien un conjunto de ideas, modelos paradigmáticos, técnicas y herramientas que pueden ser útiles para caracterizar la dinámica de los llamados sistemas complejos. La definición de los mismos es también imprecisa, habiendo posiblemente tantas definiciones diferentes como investigadores trabajando en ese campo.

Aquí, introduzco algunos comentarios míos que vienen a dejar en el aire preguntas que quisiéramos tener resueltas, como por ejemplo:

¿Por qué la ciencia se las arregla para un cohete a un planeta distante, haciéndonos saber qué día y a qué hora llegará, pero nos deja inciertos sobre el pronóstico meteorológico del fin de semana? ¿Existen sistemas que no se pueden predecir? ¿Por qué? ¿Cuáles son? Causas y azares cuenta la historia del caos y de los sistemas complejos, de cómo se descubrió que pequeñísimas variaciones en las condiciones iniciales de un sistema podrían dar lugar a resultados insospechados, es decir, cómo los sistemas son capaces de comportarse caóticamente.

En este artículo, los autores también expondrán sus definiciones, y, para ellos, un sistema complejo cuando está compuesto de un gran número de partes o grados de libertad que interaccionan no-linealmente entre sí y que, como resultado de esta interacción, exhiben comportamientos dinámicos no extendibles como la simple suma de los comportamientos individuales de sus componentes. Entre estos comportamientos se suelen mencionar fenómenos de auto-organización y emergencia, así como la exhibición de propiedades como auto-similaridad espacial y temporal, o la importancia de la memoria en la dinámica del sistema.

          Muchos son los sistemas que están auto-organizados y siguen una dinámica que les dicta la memoria.

Por auto-organización se entiende que el hecho de que el Sistema evoluciona expontáneamente, sin ser guiado desde fuera, hacia un punto fijo de la dinámica en el que, manteniendose fuera del equilibrio terrmodinámico, se exhiben el resto de propiedades. Entre las propiedades emergentes destacan la aparición de patrones espaciales o temporales y estructuras macroscópicas y coherentes. En muchos casos, estos estados atractores de la dinámica son invariantes bajo cambios de escala (es decir, auto similares) y su evolución temporal tiene una fuerte dependencia de la historia previa del sistema, lo que se conoce como memoria. Los Plasmas son un estado de la materia similar a un gas, pero en el que una fracción más o menos grande de los átomos que lo componen se encuentran ionizados.

Enorme cantidad de átomos ionizados están presentes en esa protuberancia del Sol que, al estar formados por partículas cargadas, son extremadamente sensibles a la presencia de campos eléctricos y magnéticos, los cuales pueden cambiar rápidamente debido al movimiento de las cargas, , que hacen que cualkquier perturbación de los mismos se atenúe o, por el contrario, crezca exponencialmente dando lugar a algunas de las múltiples inestabilidades posibles en estos sistemas..

La descripción más sencilla de estos Plasmas viene dada por el sistema acoplado formado por una ecuación cinética que describa la evolucíón de la función de distribuición de iones y electrones, más la ecuación de Maxwell incvluyendo en sus fuentes las densidades de cargas y corrientes debidas al movimiento de las cargas que forman el Plasma.

Fenómenos emergentes en Plasmas

Debido a este acoplamiento tan fuerte y no-lineal entre partículas cargadas y campos, existen en todo momento un gan número de grados de libertad en constante interacción en estos plasmas, lo que hace que sean medios extremadamente turbulentos. Por ello, los plasmas son un gran medio de cultivo en el que aparecen dinámicas complejas en el sentido anteriormente descrito.

Ejemplos de fenómenos emergentes pueden encontrarse en las dinamos solares y galácticas, procesos por el cual estrellas y galaxias son capaces de generar un campo magnético macroscópico no nulo o reforzar un campo preexistente a través de la interacción no linela entre grados de libertad cinéticos y magnéticos de los Plasmas que las componen.

Por ejemplo, la dinámo solar es el proceso por el cual se genera el campo magnético dipolar del Sol. El mecanismo detallado de su generación es aún desconocido, aunque parece claro que es generado por una corriente eléctrica que fluye en su interior, producida por la rotación diferencial de la gran bola de plasma que es el Sol.

En general, el tipo de dinamo producido depende de la estructura de este flujo diferencial. Por ejemplo, en presencia de un campo semilla externo, el movimiento diferencial del fluido lo retuerce y lo refuerza. En otros casos,  la dinamo es auto-generada, como es el caso del Sol. La dirección del campo magnético solar resultante se invierte aproximadamente cada 11 años, lo que causa los ciclos de manchas solares asociados a los tubos magnéticos que suben a la superficie del Sol desde el interior. La secuencia temporal de estas inversiones es sin embargo mucho más complicada que una simple variación periódica, y exhibe correlaciones temporales de largo alcance (es decir, memoria).

  Las grandes manchas solares que podemos observar cuando el Sol está en plena actividad. Nuestro Sol es una compleja bola de plasma, la Dinámica de las llamaradas solares, de las que más arriba y abajo podemos observar una muestra, son tan potentes que inciden en nuestro planeta situado a ciento cincuenta millones de kilómetros. De hecho, esa actividad solar, el comportamiento del plasma nos lleva hasta las transiciones de fase de la materia que en lugares como el corazón de las estrellas, se pueden transmutar de sencillos en complejos. La vida no sería posible sin las estrellas.

Las llamaradas solares son uno de los fenómenos solares más impresionantes y también de los más estudiados tanto teóricamente como experimentalmente. Existen abundantes series temporales obtenidas de la observación de las mismas, y la comprensión de su estadística es un campo de estudio tan intenso como el del estudio de los mecanismos físicos que gobiernan su aparición.

Se trata de eventos catastróficos que tienen lugar en la corona solar, probablemente disparados por la inestabilidad asociada a la reconexión de líneas magnéticas, y que producen una emisión sobre practicamente todo el espectro electromagnético. La reconexión que tiene lugar en la corona es alimentada desde el interior del Sol por la combinación de complejos flujos turbulentos y la rotación diferencial del Sol. la acumulación de tubos magnéticos en la corona provenientes del interior del Sol continua hasta que supera un umbral crítico.

No podemos negar, en contra de nuestro deseo, que la estructura interior del Sol sigue siendo misteriosa, y, aún tenemos que llegar a comprender algunos mecanismos interiores que inciden en el devenir del astro, es causa de sus comportamientos y, sobre todo, cuando podamos conocerlos, nos permitirá, quizás, tener fuentes de energías de las que ahora carecemos.

Podríamos seguir con las tormentas magnéticas y el transporte radial inducido por turbulencia marginal en plasmas de fusión, o bien, centrarnos en Modelos efectivos de transporte para sistemas complejos. También se podría hablar aquí de que la materia, seguramente  adopta otros estados que aín no hemos llegado a conocer como esa hipotética “sopa de Quarks-Gluones” que, seguramente, está presente en el ámbito estelar.

Se cree que si elevamos las temperaturas más de cien mil veces la que hay en el interior del Sol, la materia adoptaría ese estado de plasma de quarks-gluones. He leido por ahí que:  “El plasma de quarks-gluones es un estado de la materia en el que los quarks, que normalmente aparecen en parejas o tríos, flotan libremente en una sopa caliente cósmica. Los teóricos creen que el universo estaba en este estado unos microsegundos tras el Big Bang, justo antes de enfriarse y pasar al estado normal de materia que vemos actualmente”.

“El acelerador del CERN ha pulverizado el récord de temperatura causado por el ser humano. En su búsqueda de la materia primigenia del universo ha creado un plasma de más de cinco billones de grados Celsiuss; cuatrocientas mil veces más caliente que el nucleo del Sol y un 38% más que la anterior marca.

En el Libro Guinness aún figura la temperatura que estableció el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York) en 2010 durante un experimento parecido —de colisión de iones pesados—. Alcanzaron los cuatro billones de grados Celsiuss. En cuanto los científicos del CERN puedan dar una cifra exacta de la que han conseguido ellos —que rondará los 5,5 billones ºC—, se apoderarán del récord.

Los resultados se han medido en el experimento ALICE del LHC. Este detector está especializado en registrar y estudiar lo que ocurre al colisionar nucleos atómicos pesados. Su objetivo es conocer la naturaleza íntima de la materia, además de las condiciones de los primeros instantes del universo. Aunque su trabajo no es romper récords de temperatura, era casi inevitable que el acelerador del CERN se llevase la gloria. Nadie puede colisionar partículas con tanta energía.

El material que ha alcanzado una temperatura tan elevada es un plasma de quarks y gluones. Estos son, respectivamente, los ladrillos y el cemento de la materia. En estado plasmático fluyen sin unirse entre sí en lo que se cree que fue la primera materia del universo tras el Big Bang. Éste se comporta como un gas perfecto —sin fricción alguna— hasta que se transforma en materia ordinaria.”

Bueno, creo que el objetivo de lo que pretendía al comentar está cumplido.

emilio silvera