Para no viajar muy atrás en el tiempo, fijaremos el punto de partida en 1687, fecha en que salió a la luz la Obra de Newton, sus Principas. El tiempo transcurrió hasta 1900, fecha en la que Planck publicó un artículo de ocho páginas con su idea del cuanto que sería la semilla que daría lugar al nacimiento de la mecánica cuántica. En 1905, aquel joven de la Oficina de Patentes de Berna, sorprendió al mundo de la Física con su Teoría de la Relatividad Especial. Se produjeron muchos desarrollos importantes para nuestras imágenes de la Física Fundamental. Uno de los mayores cambios ocurrido en ese período fue la comprensión, básicamente mediante los trabajos de Faraday y Maxwell en el siglo XIX, de que cierta noción de campo físico, que permea en el espacio, debe cohexistir con la previamente aceptada “realidad newtoniana” de las partículas individuales que interaccionan por medio de fuerzas instantáneas.

Conforme a lo que arriba decimos se producen fenómenos y se ponen en marcha mecanismos que hacen posible que, la imagen que vemos, pueda ser posible gracias a la presencia de fuerzas que, aunque no las podamos ver, su presencia se hace patente por los resultados que en su diversidad, son los mecanismos que llevan el ritmo del universo en el que vivímos.

Más tarde, esta noción de “campo” se convirtió también en un ingrediente crucial de la teoría de la Gravedad en un espaciotiempo curvo a la que llegó Einstein en 1915. Lo que ahora denominamos campos clásicos son el Campo Electromagnético de Maxwell y el Campo Gravitatorio de Einstein.

La presencia del campo gravitatorio de una masa afecta al tiempo y al espacio. La gravedad hace que dos relojes atrasen. Un reloj en la superficie de la Tierra atrasa con respecto a un reloj en la Luna, toda vez que el campo gravitatorio de la Tierra es más potente. De la misma manera, nos podríamos preguntar ¿por qué la gravedad actúa sobre el espacio y alarga el tamaño de los objetos (estirándolos). ¿Dónde podríamos crecer más, si viviéramos en la Tierra o en la Luna?

Pero sigamos. Hoy día sabemos que hay mucho más en la Naturaleza del mundo físico que la sola física clásica. Ya en 1900 -como decimos antes- Max Planck había reveleado los primeros indicios de la necesidad de una “teoría cuántica”, aunque se necesitó un cuarto de siglo más antes de que pudiera ofrecerse una teoría bien formulada y global. También debería quedar claro que, además de todos estos profundos cambios que se han producido en los fundamentos “newtonianos” de la física, ha habido otros desarrollos importantes, tanto previos a dichos cambios como coexistentes con algunos de ellos en forma de poderosos avances matemáticos, dentro de la propia teoría newtoniana.

En 1905 un desconocido Albert Einstein publicaría unos espectaculares estudios sobre la teoría de la relatividad, pero muy pocos científicos, entre ellos Planck, reconocerían inmediatamente la relevancia de esta nueva teoría científica. Tanta fue su importancia que incluso Planck contribuyo a ampliarla.

Pero igualmente, la hipótesis de Einstein sobre la ligereza del quantum (el fotón), basada en el descubrimiento de Philipp Lenard de 1902 sobre el efecto fotoeléctrico fue rechazada por Planck, al igual que la teoría de James Clerk Maxwell sobre la electrodinámica.

En 1910 Einstein desafía la explicación de la física clásica poniendo el ejemplo del comportamiento anómalo del calor específico en bajas temperaturas. Planck y Nernst decidieron organizar la primera Conferencia de Solvay, para clarificar las contradicciones que aparecían en la física. En esta reunión celebrada en Bruselas en 1911, Einstein consiguió convencer a Planck sobre sus investigaciones y sus dudas, lo que hizo forjar una gran amistad entre ambos científicos, y conseguir ser nombrado profesor de física en la universidad de Berlín mientras que Planck fue decano.

Otra área importante de avance sobre la que había que llamar la atención es la termodinámica (y su refinamiento conocido como mecánica estadística). Esta estudia el comportamiento de sistemas de un gran número de cuerpos, donde los detalles de los mocimientos no se consideran importantes y el comportamiento del sistema se describe en términos de promedios de las magnitudes adecuadas. Esta fue una empresa iniciada entre mediados del XIX y principios del XX, y los nombres de Carnot Clausius, Maxwell, Boltzmann, Gibbs y Einstein son los protagonistas.

Termodinámica.- Parte de la física que estudia las relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos. Trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del calor en trabajo. También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. La termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema—típicamente la presión, la temperatura, el volumen y la masa— son constantes.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

¿Cuales son los Principios de la Termodinámica?

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.

                                                                                                         Primer Principio.-

La cantidad de calor entregado a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más la variación de su energía interna. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía— la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia de un móvil perpetuo de primera especie.

                    Flujo de la energía en los ecosistemas. En los ecosistemas se cumplen pues el primer y segundo principio de la termodinámica.

                         Segundo Principio.-

El segundo dice que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura. Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos hasta quedar a la misma temperatura. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La naturaleza parece pues ‘preferir’ el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de temperatura más alta. El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina “móvil perpetuo de segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie.

Tercer Principio.-

El tercer principio de la termodinámica –Postulado de Nernst- afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. Si alcanzáramos el cero absoluto, hasta los átomos se detendrían

En términos simples, la tercera ley¹ indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.

Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina. La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el ). Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto. Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa. Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.

Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica. Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema. Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite que siempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

• Gravitación
• Luz
• Atracción y repulsión eléctricas
• Atracción y repulsión magnéticas

Pero sigamos con el objeto principla de este trabajo del que, como siempre me pasa, me he desviado a la termodinámica que ya se dio hace unos días. Aquí hablamos de los “campos clásicos” y, sobre las teorías físicas de campos de Maxwell y Einstein: la física “clásica” ¿Cómo pudieron hablar y describir a la perfección suscesos que el ojo no podía ver, y, simplemente con la imaginación, lo hicieron posible, hasta tal punto que, cuando hablamos de campos electromagnéticos o gravitatorios, en nuestras mentes se instalan las imágenes de unos y otros que podemos “ver” con toda precisión.

La teoría del electromagnetismo desempeña también un papel importante en la teoría cuántica, pues proporciona el “campo” arquetípico para el desarrollo posterios de la teoría cuántica de campos. Por el contrario, el enfoque cuántico apropiado del campo gravitatorio sigue siendo eninmático, escurridizo y controvertido y, abordar ahora aquí estas complejas cuestiones, seguramente daría lugar a explicaciones farragosas debido a mi ignorancia profunda en esos conocimientos y a la levedad de los que puedo poseer.

Los campos de fuerza de Faraday han dado lugar a que, la imaginación se desboque y corriendo hacia el futuro, haya imaginado inmensas ciudades que, situadas en lugares imposibles, sostienen sin problema a sus habitantes que, resguardados por un “campo de fuerza” están al resguardo de cualquier peligro que del exterior les pueda venir.

Por ahí arriba me refería al hecho de que ya en el siglo XIX se había iniciado un cambio profundo en los fundamentos newtonianos, antes de las revoluciones de la relatividad y la teoría cuántica en el siglo XX. El primer indicio de que sería necesario un cambio semejante se produjo con los maravillosos descubriumientos experimentales de Faraday hacia 1833, y de las representaciones de la realidad que encontró necesarias para acomodar dichos descubrimientos. Básicamente, el cambio fundamental consistió en considerar que las “partículas newtonianas” y las fuerzas” que actúan entre ellas no son los únicos habitantes de nuestro universo.

A partir de ahí había que tomar en serio la idea de un “campo” con una existencia propia incorpórea. Y, fue entonces cuando se produjo la providencial llegada de Maxwell que, al contrario de Faraday, él si entendía bien el complejo mundo de las matemáticas y, en 1864, formuló las ecuaciones que debe satisfacer este “campo” incorpóreo, y quien demostró que estos campos pueden transportar energía de un lugar a otro.

                                     Transportando energía

Las ecuaciones de Maxwell unificaban el comportamiento de los campos eléctricos, los campos magnéticos e incluso la luz, y hoy día son conocidas como las ecuaciones de Maxwell, las primeras entre las ecuaciones de campo relativistas. Desde la perspectiva del siglo XX se han hecho profundos cambios y se ha producido profundos avances en las técnicas matemáticas, las ecuaciones de Maxwell parecen tener una naturalidad y simplicidad concincentes que nos hacen preguntarnos cómo pudo considerarse alguna vez que el campo electromagnético pudiera obedecer a otras leyes. Pero semejante perspectiva ignora el hecho de que fueron las propias ecuaciones de Maxwell las que llevaron a muchos de estos desarrollos matemáticos. Fue la forma de estas ecuaciones la que indujo a Lorentz, Poincaré y Einstein a las transformaciones espaciotemporales de la relatividad especial, que, a su vez, condujeron a la concepción de Minkowaki del espaciotiempo.

¡La Mente Humana! ?Hasta donde podrá llegar? ¿Qué limite tendrá impuesto? La respuesta es sencilla: ¡ No hay límites! Y, aunque dicha afirmación la repita en muchos de mis escritos, esa es la realidad.

emilio silvera

[?]

No pocas veces, cuando habeis oido hablar de temas de Física, la palabra espín habrá surgido con cierta frecuencia y, algunos de ustedes os habréis preguntado (seguramente), ¿qué es eso del espín? y, aunque sea de pasada, dejaré aquí una explicación sencilla del mismo.

Una curiosa propiedad de las partículas  pequeñas que se recoge en el Modelo Estándar divididas en tres familias, es que pueden totar alrededor de un eje mediante el mecanismo que llamamos espín. El Espín  (o, com más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un  múltiplo de la constante de Planck dividido por 2π. Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partículas -aunque no la dirección del mismo- es fijo.

Si nos referimos al electrón, por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses. Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck, que escribieron sus tesis conjuntamente sobre dicho problema allá por el año 1972. Fue una idea audaz que partículas tan pequeñas como los electrones pudieran tener espín y, de hecho, bastante grande. Claro que, al principio, la idea fue recibida con excepticimos porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz. Hoy en día, tales objeciones son simplemente ignoradas porque no existe tal superficie en el electrón.

De todas las cantidades físicas la conocida como espín se suele considerar como la más “mecano-cuántica”. La palabra espín viene del inglés “spin”, que significa giro o girar, y se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tienen un momento angular intrínseco de valor fijo. Es una característica propia de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica, y una magnitud que se conserva como lo hace la energía o el momento lineal.

De todas las cantidades físicas la conocida como espín se suele considerar como la más “mecano-cuántica”. La palabra espín viene del inglés “spin”, que significa giro o girar, y se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Es una característica propia de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica, y una magnitud que se conserva como lo hace la energía o el momento lineal.

Para un electrón, protón o neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ). Precisamente por eso esta cantidad de momento angular no estaría permitida para un objeto compuesto por cierto número de partículas orbitando sin que ninguna de ellas estuviese girando sobre sí misma. El espín sólo puede aparecer debido a que es una propiedad intrínseca de la propia partícula, es decir, que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro.

Para un electrón, protón o neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ). Precisamente por eso esta cantidad de momento angular no estaría permitida para un objeto compuesto por cierto número de partículas orbitando sin que ninguna de ellas estuviese girando sobre sí misma. El espín sólo puede aparecer debido a que es una propiedad intrínseca de la propia partícula, es decir, que no surge del movimiento orbital de sus partes en torno a su centro.

Una partícula que, como el electrón, tiene un espín múltiplo impar de ħ/2 (ħ/2, 3ħ/3, 5ħ/2, etc) se llama fermión, y presenta una curiosa rareza: una rotación completa de 360º transforma su vector de estado no en sí mismo sino en el valor negativo de sí mismo; necesitaría por tanto de un giro de 720º para quedarse igual que antes del giro. La mayoría de las partículas de la Naturaleza son fermiones, las partículas restantes para las que el espín es un múltiplo entero de ħ (ħ, 2ħ, 3ħ, 4ħ, etc) se llaman bosones. Bajo una rotación de 360º el vector de estado de un bosón vuelve a sí mismo, y no a su negativo.

Hablemos de pasada de la esfera de Riemann que juega un papel fundamental en cualquier sistema cuántico de dos estados, describiendo el conjunto de estados cuánticos posibles. Para una partícula de espín 1/2, su papel geométrico es particularmente evidente puesto que los puntos de la esfera corresponden a las posibles direcciones espaciales para el eje de giro. En otras situaciones el papel de la esfera de posibilidades de Riemann está bastante más oculto, con una relación mucho menos clara con la geometría espacial.

El extraño giro de 720º del electrón para quedarse igual es toda una paradoja. En muchas ocasiones nos parece que la mecánica cuántica presenta fenómenos completamente fuera de toda lógica, pero al analizar infinidad de situaciones completamente normales para nosotros a la luz de esta asombrosa teoría observamos que sin ella no tienen explicación. La propia cohesión de la materia, tal como la conocemos, o la existencia de las cuatro fuerzas fundamentalesno tendrían sentido. En este último caso en sus fundamentos, paradojicamente, se encuentra el propio principio de incertidumbre. Un principio “engorroso” que parece que sólo sirve para impedirnos medir con infinita exactitud.

Los fotones y los neutrinos , al ser partículas sin masa, comparten la propierdad de que su eje de rotación es siempre paralelo a la dirección del movimiento , mientras que otras partículas rotan en direcciones arbitrarias.Siempre será difícil describir el espín con palabras sencillas. La mecánica cuántica hace imposible definir con precisión la dirección del eje de rotación, excepto para los dos casos mencionados. Sin embargo, para objetos grandes que rotan con velocidades altas, la dirección de rotación puede tener un significado más preciso (un púlsar por ejemplo).

Pero hablemos un poco de las partículas que tienebn espín entero, llamamdos “Bosones” y, de las que tienen espín entero más un medio que se llaman”Fermiones”. Cimprobados los valores del espín en una Tabla se puede comprobar que los “Leptones” y los “Bariones” son fermiones, y que mos “mesones y los fotones” son Bosones. En muchos aspectos, los fermiones se comportan de manera diferente de los bosones. Los fermiones tienen la propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden estar en el mismo punto, y sus movimientos ewstán regidos por ecuciones tales que se evitan los unos a los otros. De hecho, la fuerza entre fermiones pueden ser atractivas o repulsivas. El fenómeno por el cual cadqa fermión tiene que estar en un “estado” diferente se conoce como Principio de esclusión de Pauli. Cada átomo está rodeado por una nube de electrones, que que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra. dando como resultado una fuerza repulsiva. En nuestras vidas cotidianas tenemos un ejemplo casi a diairio cuando por cualquier circunstancias batidos las palmas de las manos, la capa electrónica ervita que las manos se introduzcan la una dentro de la otra traspasándose, y, de la misma manera ocurre cuando apoyamos con fuerza la palma de la mano en la pared haceindo presión, la capa electrónica de la mano y de la pared, impide que la mano la pueda atravesar.

Es curioso como este fenómeno de los fermiones que llamamos Principio de Exclusión de Pauli, incide de manera directa en el destino de algunas estrellas: Cuando una estrella como nuestro Sol, por ejemplo, llega a su fase final y de gigante roja comienza a contraerse por la fuerza de la gravedad, una vez liberada de la fuerza de repulsión que la mantenía a raya, la gravedad contrae más y más la masa de la estrellas pero, al llegar a cierto punto, los electrones se ven tan juntos que se sienten muy incómodos ya que, al ser fermiones, no pueden ocupar ninguno de ellos el mismo lugar de otro, así que, se degeneran y comienzan a moverse con velocidad alucinantes, y, tal actividad es más que sificiente para que la contracción de la estrella se frene y, de esa manera, queda finalmente constituida como estrella anana blanca. Si la masa de la estrella original es mayor que la del Sol, en el mismo proceso y por las mismas causas, al ser aprisionadas las particulas de la estrella que conforman su materia, es decir, protones y neutrones junto a los electrones, lo primero que ocurre es que, los electrones y los protones se funden y forman neutrones que, al ser presionados a juntarse, se degeneran como antes lo hicieron los electrones, y, frenan la implosión de la estrella que queda constituida como una estrella de Neutrones.

En contraste con el característico individualismo de los fermiones, los bosones sde comportan colectivamente y les gusta colocarse a todos en el mismo lugar.  Un láser, por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son bosones y tienen espín entero.

Hay otra regla de juego que nuestra familia de partículas elementales debe obedecer: cada partícula tiene su correspondiente antipartículas. Las partículas tienen el mismo espín y exactamente la misma masa que sus antipartículas, pero las cargas eléctricas, igual que los números llamados S, I₃, L y B, son todas opuestas.

Aunque pueda parecer sencillo, el lidiar con estas tres familias de partículas que son, enn realidad las que conforman todo lo que existe en el mundo (entendiéndose por el mundo el universo entero), no es fácil y de ellas, surgen muchas implicaciones, algunas que no hemos podido llegar a entender aunque, en honor a la verdad tendremos que decir que, en lo más básico, podemos formular hipótesis y teorías que las implican y que están acordes con la realidad observada en el laboratorio experimental. Sin embargo, muchos son, todavíoa, los secretos que nos esconden y al que nuestro intelecto no ha podido llegar aún. Sin embargo, si nos dan más tiempo, todo llegará.

Y, a todo esto, no debemos olvidar que, aparte de las propiedades que dichas partículas pueden tener de manera indivisual, todas tienen que convivir con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que, de alguna manera, inciden en ellas de mil maneras diferentes.

Toda la materia del Universo, nosotros también, supeditamos nuestros comportamientos a lo que rige la norma que estable esatas cuatro fuerzas fundamentales del Universo que, junto con las constantes universales, hacen de nuestro universo lo que es y permite, que la vida esté presente para observar todas estas maravillas.

emilio silvera

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El enigma que representaba en la antigüedad de qué estaban hechas las estrellas y otros objetos celestes, se pudo resolver finalmente no mediante el telescopio o la cámara solamente, sino combinando ambos con el espectroscopio, que revelaría de qué están hechas las estrellas y las nebulosas, algo que el filósofo Auguste Comte, todavía en 1844, citaba como ejemplo de un conocimiento que nunca llegaría a tener la mente humana.

Augusto Comte, pensador francé que decía que la Humanidad nunca llegaróa a conocer de qué estaban hechas las estrellas. Lo mismo que a él, le ocurrió, muchos años antes y en otro ámbito, al Presidente de la Real Society de Londres, cuando ante una gran audiencia dijo: “Nunca nada más pesado que el aire podrá volar” y, el hombre se llenó de gloria cuando, poco tiempo después, remontó el vuelo el primer avión de los hermanos  wright.

La prudencia, a la vista de las muchas anécdotas que como las anteriores podemos contar, nos aconseja no negar nada y dar la posibilidad, por increíble que nos parezca, a cualquier acontecimiento futuro que ahora nos parezca imposible y que, con los avances de la Ciencia, mañana podría ser posible.

Pero sigamos con la historia de cómo se desarrolló la espestroscopia y cuando comenzó esa aventura allá por el año 1666, cuando Newton observó que la luz blanca del Sol, al pasar un prisma, produce un arcoiris de colores. En 1802, el físico inglés William Wollaston descubrió que si colocaba una fina ranura frente al prisma, aparecían en el espectro una seríe de rayas oscuras paralelas, como las grietas entre las teclas del piano.

La figura de arriba representa el espectro de la luz solar (ahí están presentes elementos como el potasio, sodio, rubidio… etc. Pero Wollaston dejó su experimento de lado, y la elevación de la espectroscopia al rango de ciencia exacta quedó para un pobre adolescente enjuto con una tos persistente, que, cuando Wollaston hizo su descubrimiento, estaba en un hospital recuperándose de heridas sufridas en el derrumbe de un taller de óptica donde trabajaba en los suburbios de Munich. Su nombre era Joseph Frunhoufer, y su suerte estaba por mejorar.

En aquellos tiempos, la óptica comenzaba su andadura gloriosa hacia niveles de alta estima en campos como el de los telescopios y microscópios, las gafas, lupas y otros objetos de vidrio que cambiaron el mundo de alguna manera. Fraunhoufer nació en el seno del sector más pobre de esta floreciente profesión. Fue el undécimo hijo de un undigente maestro vidriero que había quedado huerfano a los 11 años y se hizo aprendiz del taller de un tal Philipp Weichselberger, un vidriero de pocas luces de Munich, quien le hacía trabajar en exceso, le pagaba miserablemente, le subalimentaba y no le educaba. El 21 de julio de 1801, el deteriorado edificio que contenía la casa y el taller, se desplomó, y Frunhofer, el único superviviente, finalmente fue sacado de aquellos restos y escombros.

Su rescate fue noticia y tuvo una gran difusión y, su difícil situación llamó la atención de Maximiliano José, elector de Baviera, quien visitó al muchacho herido en el hospital y quedó impresionado por su inteligencia y su carácter alegre. El elector le regaló a Frunhofer 18 ducados, suma suficiente para comprar una máquina que trabajase el vidrio y algunos libros, así como eludir lo que faltaba de su aprendizaje. Una vez libre, Fraunhofer nunca dejó de prosperar.

Telescopio de Fraunhofer

Fraunhofer tenía instinto para lo esencial, y sus intensas investigaciones sobre las características básicas de diversos tipos de vidrios pronto le hicieron ganarse la fama de ser el primer fabricante de lentes para los mejores telescopios del mundo.

“Vi con el telescopio -escribió- un número casi incontables de rayas verticales fuertes y débiles, más oscuras que el resto de la imagen de color. Algunas parecían totalmente negras.” Detectó centenares de tales rayas en el espectro del Sol, y halló regularidades idénticas en los espectros de la Luna y los planetas, como era de esperar, pues estos cuerpos brillan por la luz solar que reflejan. Pero cuando dirigía su telescopio a otras estrellas, sus lineas espectrales parecían  muy diferentes. La significación de esa diferencia era un misterio.

Fraunhoufer llegó a ser un personaje muy conocido y reconocido pero, su delicada salud acabó con su vida el día 7 de junio de 1826, a los treinta y nueve años, de tuberculosis, dejando como legado las misteriosas lineas de Fraunhofer. En 1849, León Foucault en Paris y W. A. Miller en Londres hallaron lineas brillantes que coincidían con las lineas oscuras de Fraunhofer. Hoy unas y otras son conocidas, respectivamente como lineas de emisión y lineas de absorción, y tienen en la espectroscopia un papel tan importante como la de los fósiles en la geología, pues dan información sobre la temperatura, la composición y los movimientos de las nebulosas gaseosas y las estrellas que, a pesar de sus inmensas lejanías, nos pueden contar de qué están conformadas gracias a las líneas de Fraunhofer,

emilio silvera

[?]

¿Qué provoca los colores de la Nebulosa del Capullo? Estrellas nuevas, estrellas viejas, la radiación ultravioleta, el desarrollo de la química-biológica de la vida que está presente mediante las transiciones de fase de la marteria inerte camino de la vida. Leamos la historia siguiente:

[?]

Está claro que, cuando surgen noticias como aquella que tanto revuelo formó, en relación a los neutrinos que corrían más que la luz, nos siver de toque de atención para que despertemos a la realidad de que en el Universo, existen muchas, muchísimas cosas que no sabemos. Es raro el día que no podemos leer noticias sorprendetes:

“Los astrónomos han descubierto la masa más grande y antigua de agua que se haya detectado en el universo, una gigantesca nube de 12 mil millones de años y que alberga 140 billones de veces más agua que todos los océanos de la Tierra juntos. La nube de vapor de agua rodea a una agujero negro supermasivo llamado cuásar situado a 12 millones de años luz de la Tierra. El descubrimiento muestra que el agua ha sido frecuente en casi toda la existencia del universo.”  Dijeron los investigadores.

“Debido a que la luz que vemos ahora de este cuásar de más de 12 mil millones de años, estamos viendo el agua que estaba presente sólo alrededor de 1,6 millones de años después del comienzo del universo”, dijo en un comunicado el coautor del estudio, Alberto Bolatto de la Universidad de Maryland. “Este descubrimiento lleva la detección de agua mil millones años más cerca del Big Bang que cualquier otro encontrado”.

El descubrimiento se ha hecho observando las inmediaciones del cuásar APM 08279+5255, una gigantesca fuente de energía electromagnética 20 mil millones de veces más grande que nuestro Sol y que es posiblemente la cuna de una nueva galaxia en formación. Gracias a las peculiares circunstancias que se dan en torno a este cuásar ha sido posible la formación de una reserva de agua de tan enmensas proporciones, según afirma Matt Bradford del Jet Propulsion Laboratory.

El vapor de agua en el quásar se distribuye alrededor del agujero negro masivo en una región que abarca cientos de años luz. La nube tiene una temperatura de menos 63 grados Fahrenheit, y 300 billones de veces menos densa que la atmósfera de la Tierra.

Esta cifra puede parecer fría y tenue, pero significa que la nube es cinco veces más caliente y de 10 a 100 veces más densa que lo que es típico de galaxias como la Vía Láctea, dijeron los investigadores.

Además de arrojar luz sobre los inicios del universo, la enorme nube de vapor también revela información importante sobre el cuásar, dijeron los investigadores. Las mediciones de vapor de agua y de otras moléculas, tales como monóxido de carbono, sugieren que hay suficiente gas para alimentar el agujero negro hasta que crezca cerca de seis veces su tamaño. Pero no está claro que esto vaya a pasar, según los investigadores, ya que parte del gas puede terminar condensándose en estrellas o puede ser expulsado del cuásar. El estudio ha sido aceptado para su publicación en el Astrophysical Journal Letters.

Claro que, todo esto, la noticia en sí al igual que otras muchas que diariamente circulan por ahí, no pocas veces son aproximaciones de lo que en realidad es, y, con los datos que se han podido captar los científicos hacen sus propios cálculos y cábalas que los llevan a exponer “lo que ellos piensan” de este o aquel descubrimiento o suceso.

A mí me gustaría saber, a qué se refieren los científicos cuando afirman que ellos “conocen”, por ejemplo, lo que hay dentro del átomo, o, lo que pasó en los primeros tres minutos de la vida del Universo (cosa que nadie puede saber, toda vez que antes de que el tiempo llegara a cumplir el primer minuto de su vida, en lo que llamamos Tiempo de Planck, existe una zona oscura que no hemos podido desvelar y en la que no ha sido posible entrar con la lámpara del saber para descubrir lo que allí pudo pasar en esa primera fracción de tiempo). Y, si eso es así (que lo es), en realidad los científicos se están refiriendo a que tienen un modelo del átomo o del Universo temprano y que este modelo encaja con los resultados hasta ahora obtenidos por la observación y el experimento.

Por ejemplo: La ilustración -arriba- es un modelo que representa la estructura de una célula eucariota animal. Los modelos científicos se caracterizan porque son construcciones de la mente humana, y representan ideas o conceptos que se tienen sobre algún aspecto de la realidad. Los modelos científicos cumplen un papel importante en la construcción del conocimiento y la comprensión de los fenómenos naturales.  Ayudan a predecir, describir y explicar fenómenos naturales, objetos y estructuras;  y simplifican las observaciones haciendo más fácil trabajar con ellos, especialmente cuando se trata de  objetos que no se perciben a simple vista, como una estructura microscópica.  ¿Cómo se llega a determinar un modelo de la célula que no solo representa su estructura sino también su función? Sin duda, el desarrollo de instrumentos ópticos cada vez más precisos y de técnicas moleculares de visualización, han desempeñado un papel preponderante en estos logros científicos ya que permitieron conocer lo inalcanzable para el ojo humano.

Para definir sucesos muy lejanos en el Tiempo, y, captar objetos que estaban allí presentes, nos valemos de instrumentos muy sofisticados tecnológicamente hablando, con múltiples funciones que pueden, captar la luz que desde allí fue radiada y, de esa manera podemos construir modelos que nos acerquen a lo que realmente pudo suceder.

este tipo de Modelo científico no es una representación de la cosa real, del mismo modo que un modelo de nave espacial no es, en sí mismo una nave espacial sino, su representación para que nos permita concoer cómo sería esa nave. Otros modelos son representados mediante  imágenes mentales que son descritas a través de ecuaciones matemáticas.

Cuando un científico afirma, por ejemplo, que el núcleo de un átomo está compuesto por por partículas denominadas protones y neutrones, lo que en realidad debería decir es que el núcleo del átomo se comporta, bajo determinadas circunstancias, como si estuviera formado por protones y neutrones. Los mejores científicos toman el “como si” como se lee, pero entienden que sus modelos son, efectivamente, sólo modelos; otros “científicos” olvidan a menudo esa diferencia crucial.

Por lo general, la gente cree que los científicos se dedican a efectuar experimentos para probar la exactitud de sus modelos con una precisión cada vez mayor -hacia posiciones con más decimales, más exactas- ¡En absoluto! La principal razón para llevar a cabo experimentos que demuestren predicciones previas no comprobadas es descubrir dónde pueden fallar sus Modelos. Encontrar defectos en sus modelos es la mayor aspiración de los buenos cioentíficos, ya que, de esa manera, saben en qué fallan y los pueden mejorar.

Es cierto que, a través de esos modelos, no pocas veces, hemos podido coger los conductos luminosos que transportan las respuestas a dealgunos de lo ecretos que del Universo queremos desvelar. Se experimento y se conforman modelos por ordenador o matemáticos que nos puedan expresar la realidad de aquellos resultados experimentales.

Recordemos al escocés James Clerk Maxwell que, partiendo del trabajo experimental del londinense Michael Faraday, descubrió el grupo de ecuaciones que describe la electricidad y el magnetismo dentro de la estructura de un único modelo. Son realmente aspectos  diferentes de la misma interacción, como las dos caras de una misma moneda.

Las fuerzas de la Naturaleza

Encontramos, sin embargo, grandes diferencias entre las distintas fuerzas de la Naturaleza. Por ejemplo, podemos contemplar varias diferencias genuinas e importantes entre la interacción gravitacional y la interacción electromagnética. La Gravedad es muchísimo más débil que el electromagnetismo. Toma la fuerza de toda la Tierra para sujetar un alfiler de acero al suelo, por ejmplo, pero un simple imán de juguete de un niño puede fácilmente vencer esta fuerza y elevar el alfiler.

Debido a que los electrones y los núcleos atómicos tienen carga eléctrica, y la fuerza de atracción de un sólo átomo sobre otro es tan profundamente pequeña que se puede ignorar, todas las interacciones significativas entre los átomos son electromagnéticas. De modo que las fuerzas electromagnéticas mantienen nuestro cuerpo unido y hacen trabajar nuestros músculos. Si recogemos una manzana de la mesa, las interacciones electromagnéticas en nuestros músculos están dominando a la interacción gravitacional entre la manzana y toda la Tierra. En un sentido real, somos más poderosos que un planeta, gracias a las interacciones electromagnéticas

La fuerza de Gravedad determina la atracción de los cuerpos

Claro que, aunque la Grqavedad es débil, tiene un largo alcance. La interacción entre el Sol y los planetas mantiene a los planetas en sus órbitas y a la Luna unida a la Tierra por los hilos invisibles de la fuerza gravitatoria. Ambas fuerzas, la Gravedad y el electromagnetismo, tienen el mismo alcance que se ha fijado en ∞ (infinito).

El mismo Sol es parte de un sistema de de miles de millones de estrellas que confroman nuestra Galaxia de un centener de miles de años luz de diámetro y que, a pesar de esa inmensidad, todos esos cuerpos están unidos por la Gravedad.

Pero la diferencia entre estas dos fuerzas es que se presentan en distintas variedades, que se cancelan las unas a las otras. En un átomo, la carga positiva del núcleo se cancela por la carga negativa de los electrones con lo rodean, siendo fuerzas equivalentes la positiva y negativa, el resultado final es cero que consigue la estabilidad del átomo.

Otra diferencia de estos dos fuerzas es que, la Gravedad siempre atrae, mientras que, el magnetismo, lo mismo atrae (fuerzas opuestas) que rechaza (fuerzas iguales). Más sutílmente, podemos ver que no todas las fuerzas afectan a todo del mismo modo. La Gravedad parece ser universal y afecta a todo. Pero las influencias eléctricas y magnéticas sólo afectan a determinados tipos de objetos. esta realidad fue de gran utilidad cuando los físicos empezaron a investigar dentro del núcleo.

Aquí se construyó un Acelerador de partículas como si de una obra de arte se tratara. Es el Fermilab que, ocupa 30 kilómetros cuadrados de campos de cereales reconvertidos, unso ocho kilómetros al este de Batavia. Illinois y situado a una hora de volante de al oeste de Chicago. En la entrada a los terrenos por la Pine Street hay una gigantesca estatua de acero de Robert Wilson, su primer director y el principal responsable de su construcción, un triunfo artístico, arquitectónico y científico. La escultura titulada Simetría rota, consiste en tres arcos que se curvan hacia arriba, como si fueran a cortarse en un punto a más de quince metros del suelo. No lo hacen, al menos no limpiamente. Los tres brazos se tocan, pero casi al azar, como si los hubieran construido diferentes contratistas que no hablasen entre sí. La escultura tiene un aire de un “ay” por que sea así, en lo que no es muy distinta de nuestro universo. Si se camina a su alrededor, la enorme obra de acero aparece desde cada ángulo desapaciblemente asimétrica. pero si uno se tumba de espaldas justo debajo de ella y mira hacia arriba, disfrutará del único punto privilegiado en el que la estructura es imétrica. la obra de arte de Wilson casa de maravilla con el Fermilab, pués ahí el trabajo de los físicos consiste en buscar las pistas de lo que sospechan es una simetría oculta en un universo de apariencia muy asimétrica.

El Edificio está inspirado en la Catedral Francesa que Wilson visitó, la de Beauvais, empezada en el año 1225, La catedral de Beauvais tiene dos torres separadas por el Prebisterio. El Wilson Hall, concluido en 1972, consta de dos torres gemelas (las dos manos en oración) unidas por galerias a distintas alturas y uno de los mayores atrios del mundo. El rascacielos tiene a la entrada un estanque donde se refleja con un alto obelisco en una de sus extremos. El obelisco, con el que terminaron las contribuciones artísticas de Wilson al Laboratorio, se conoce como la última construcción de Wilson.

Sigamos con el trabajo. En lugares como este del Fermilab (también el CERN), se tienen preparadas instalaciones de alta tecnología y de una sofisticación de muy alto nivel, hay aparatos cuya sensibilidad podríamos comparar con lo más depurado en el arte de la finura técnica que el ser humano halla podido alcanzar.

             Heisenberg, Bohr y Einstein

“La incertidumbre, la discrepancia y la inconsistencia constituyen la moneda de cambio de cualquier disciplina científica viva.” Nada se debe dar por cierto, siempre hay que buscar dónde radica el fallo o la carencia de un Modelo, o, donde están los parámetros que sobran para eliminarlos o los que faltan para proceder a su incorporación. El Modeo que hoy nos describe el mundo, cuando mañana, las nuevas tecnologías nos permiten entrar a profundizar en lo que ese mundo es, podemos comprobar que, aquella teoría no estaba en lo cierto.

Sí, podemos decir sin lugar a equivocarnos que en la Física, nos podemos encontrar con muchos conceptos extraños y, sin embargo, la historia sigue y nos lleva mucho más allá de lo que nuestras mentes pueden comprender. Caemos en atolladeros que nos retienen, tratamos de salir, forzamos y tratamos de desprendernos de las ligaduras (fuertes ligaduras) de ignorancia que nos mantienen atados, y, con el paso del tiempo y mucho esfuerzo, a veces conseguimos zafarnos de ellas (sólo en parte) y dar un paso hacia adelante que nos lleva, de manera irremediable, ante otra gran maraña de ligaduras…¡Es tanto lo que no sabemos!

Sí todo esto nos puede resultar muy extraño. El mismo tipo de incertidumbre cuántica se traslada a otros ámbitos de las propiedades del mundo cuántico. El Principio de Incertidumbre de Hesinberg combinado con la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein (centrada en el espacio-tiempo) nos dice que si tomamos un determinado volumen de un espacio aparentemente vacío y lo miramos durante un determinado tiempo, no podemos estar seguros de cuánta energía contiene.

No somos sólo “nosotros” los que no podemos estar seguros; como con la posición y el movimiento, la Naturaleza en sí misma no lom sabe. Durante un largo período de tiempo podemos estar seguros de que el espacio está vacío (o prácticamente vacío). Pero cuqanto más corto sea el período de tiempo involucrado, menos certeza podemos tener sobre la cantidad de energía dentro del volumen.

Estas entidades efímeras  las que llamamos partículas virtuales, y el proceso completo se denomina una “fluctuación del vacío”. En este Modelo, el “espacio vacío” o “vacío”, se entiende como agitándose activamente en la escala cuántica. En concreto una partícula cargada como un electrón está embebida en un mar de partículas virtuales y fotones, e incluso en sus cortas vidas las partículas interactúan con el electrón.

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