El Carbono es de importancia vital para la Naturaleza y la Vida

La Vida en la Tierra está constituida sólo por un grupo reducido de elementos, entre los cuales podemos nombrar al Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo, Azufre, y sobre todo, Carbono. El carbono es un elemento que muestra una gran facilidad para enlazarse con múltiples átomos, o consigo mismo; actúa como la goma que une las piezas de la vida. Pero, ¿a qué se debe esta versatilidad del Carbono?

Podemos decir, de manera muy simple e incorrecta, que los electrones en un átomo, orbitan alrededor de un núcleo en forma de capas concéntricas; en cualquier átomo, cada capa puede contener cierto número de electrones. La primera acomoda sólo 2 electrones, la siguiente 8. Sin embargo el átomo de carbono posee sólo 6 electrones, 2 en la capa interna y 4 en la siguiente. Los átomos de Carbono tienden a llenar estos “agujeros” con electrones de otros átomos de las inmediaciones creando enlaces sencillos distintos, o bien pueden llenarlos con 2 o 3 electores de un mismo átomo formando un enlace doble o triple.

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Celda solar de punto cuántico

            Gustav Mie

Ese ha sido uno de las grandes esfuerzos realizados por desarrollar una teoría que diera cuenta del equilibrio de la electricidad que constituye el electrón y, los trabajos de Mie, han sido apoyados por toda la comunidad de los físicos teóricos, él se basa principalmente en la introducción de un tensor- energía de términos suplementarios que dependen de las componentes del potencial electromagnético, además de los términos de energía de la teoría de Maxwell-Lorentz. Estos nuevos términos que en el espacio exterior no son importantes, son sin embargo efectivos en el interior de los electrones al mantener el equilibrio frente a la repulsión eléctrica.

A pesar de la belleza de la estructura formal de esta teoría, erigida por Mie, Hilbert y Weyl, sus resultados físicos hasta ahora han sido insatisfactorios. Por una parte, la multiplicidad de posibilidades es desalentadora, y por otra parte dichos términos adicionales no han podido ser formulados de una manera tan simple que la solución pudiera ser satisfactoria,

Hasta ahora la Teoría de la Relatividad General no ha realizado ningún cambio en este estado de la cuestión. Si por el momento no consideramos el término cosmológico

Gμν  =  ½δμν G = KT μν

Donde G denota el Tensor de curvatura de Riemann contraído, G es el escalar de curvatura formado por contracción repetida, y Tμν el Tensor de energía de “materia”. En fin, explicar toda la ecuación puede llegar a ser engorroso y es toda una larga historia que no siempre entretiene al personal. Así que, lo dejamos.

Muchos son los conceptos que tendríamos que explicar aquí para dilucidar todas estas cuestiones que, implicadas en estas teorías, nos llevan a la cinemática, la simultaneidad, transformaciones de coordenadas, relatividad de longitudes y tiempos, adición de velocidades, lo que nos dijo Maxwell y Lorentz. transformación de energía en rayos luminosos, la gravedad y la propagación de la luz, la naturaleza física de los campos gravitatorios… y un sin fin de cuestiones que, hacen necesario un gran volumen y, también, un amplio dominio de conocimientos de los que carezco.

Lo cierto es que, la Teoría de la Gravedad, nos lleva a imaginar situaciones que podrían ser y, en alguna ocasión, se nos puede presentar como posibles caminos para solucionar cuestiones que, en el mundo físico que conocemos, nos parecen irresolubles pero… En física, amigos míos, lo imposible parece posible.

¡Encontrar la solución para burlar la velocidad de la luz, y, atravesando portales mágicos, ir a otras galaxias! Es cierto que la mente está muy delante de los hechos pero… Cuando se piensa en algo, ahí queda la posibilidad de plasmarlo en una realidad.

Al menos por el momento, no podemos saber si nuestro Universo es único. Sin embargo, hemos pensado en la posiblidad de que pudiera ser uno de tantos. Como nunca nadie pudo estar en otro Universo, tenemos que imaginarlos y basados en la realidad del nuestro, realizamos conjeturas y comparaciones con otros que podrìan ser. ¿Quién puede asegurar que nuestro Universo es único? Realmente nadie puede afirmar tal cosa e incluso, estando limitados a un mundo de cuatro dimensiones espacio-temporales, no contamos con las condiciones físicas necesarias para poder captar (si es que lo hay), ese otro universo paralelo o simbiótico que presentimos junto al nuestro y que sospechamos que está situado en ese “vacío” que no hemos llegado a comprender. Sin embargo, podríamos conjeturar que, ambos universos, se necesitan mutuamente, el uno sin el otro no podría existir y, de esa manera, estaríamos en un universo dual dentro de la paradoja de no poder conocernos mutuamente, al menos de momento, al carecer de los conocimientos necesarios para ello.

emilio silvera

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¡Valiente personaje! Y, lo malo del caso es que, hay algunos por ahí.

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A estas alturas pocas dudas nos pueden caber de que el Universo está regido por estas cuatro fuerzas fundamentales: Nucleares fuerte y débil, electromagnetismo y gravedad. Eso nos lleva a emplear la lógica de que, nuestro Universo, es igual en todas partes y, lo que pasa “aquí”, también pasará “allí”. No hay sitios privilegiados en el Universo y, aunque localmente pasen cosas distintas en distintas regiones, lo cierto es que, lo que pase, siempre estará supeditado a estas cuatro fuerzas.

Llegados a este punto, no podemos dejar de lado esos otros parámetros que llamamos Constantes Universales y que son los complementos de las fuerzas antes mencionadas, es decir, el Universo es como lo podemos observar gracias a las cuatro fuerzas y, también, debido a esas constantes conocidas como:

• La Velocidad de la Luz en el Vacío
• La Carga del Electrón
• La masa del Protón
• La constante de Planck, h
• La Constante de Estructura Fina (α) Alfa = 1/137

Y otras que definen a nuestro Universo y permiten la presencia de la Vida. La importancia de estas constantes se pueden determinar por el simple hecho de que, si la carga del electrón o la masa del protón variaran, aunque solo fuera una diezmillonésima… ¡La Vida no podría existir!

Todos estos descubrimientos nos han costado mucho trabajo, el ingenio de muchos personajes, los avances de las nuevas técnicas en Aceleradores, telescopios y microscopios (entre otros). Y, con todo lo que hemos podido reunir, se construyeron Modelos como el del Cosmos, el Modelo Estándar…. y algunos otros cada uno de ellos centrado en un saber.

Bueno, pues a pesar de lo mucho que hemos podido desvelar de los secretos del Universo, todavía no podemos decir que lo sabemos todos, sino que, muy al contrario, las preguntas ganan por goleada a las respuestas. Y, en este punto, siempre me viene a la memoria aquellas frases de Karl Popper:

• “Cuanto más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se. Mis conocimientos son limitados. Mi ignorancia infinita.”

El hombre quería decir que siempre queda algo por saber. Con cada nuevo conocimiento que podemos conquistar, tenemos una “llave” con la que abrir puertas cerradas. Y, ese nuevo conocimiento nos permite plantear preguntas que antes de tenerlo no podíamos plantear.

Demócrito nos habló del átomo y Empédocles de los elementos, ambos de forma muy rudimentaria pero intuían que allí (en aquellas ideas), había algo importante. Sin embargo, no podían saber de las fuerzas fuerte y electromagnética el primero, ni el segundo, imaginar que los elementos se crean en las estrellas.

Ahora nosotros que sabemos sobre lo que ellos no sabían, podemos avanzar algo más. Sin embargo, también como ellos, no podemos hacer algunas preguntas por desconocer ciertos secretos profundamente escondidos por la Naturaleza.

Nunca podremos saberlo todo, nuestro destino es seguir aprendiendo y, sobre todo saber que no sabemos. esa será la mejor forma de seguir avanzando.

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Como pueden haber deducido por el título, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Todos recordamos lecturas en las que nos hablaban sobre aquellos pensadores del pasado que como Empñedocles, Leucipo o demócrito nos hablaban de sustancias y elementos y hasta de átomos, ellos tenían la untuición de que la materia, estaba compuesta por esos minúsculos objetos que hoy llamamos partículas elementales. Pasado mucho tiempo y cerca ya del siglo XX, llegaron científicos como Dalton,  J.J Tomson (que descibrió el electrón) y propuso en modelo atómico con el electrón dentro del átomo, Eugen Goldstein descubrió los rayos canales (con carga positiva) y después Rutherford el nombre del proón, esa partícula positiva generada a partir del hidrógeno y se completaron la presencia de las partículas fundamentales en la que cada una tenía un tipo de carga (la del protón y la del electrón eran idénticas para nivelar la simetría del átomo con esa igualdad de fuerzas). Ya en el siglo XX se postuló la existencia del neutrón algo más masivo que el protón pero sin carga eléctrica, su existencia se confirmó en 1932.

Poco a poco se fueron comprendiendo las interacciones entre las partículas de materia

A comienzos del siglo XX, el desarrollo del modelo atómico de Rutherford, coloca a los protones y neutrones en el núcleo del átomo y a los electrones en su corteza. Las investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico llevan a Einstein a formular su teoría corpuscular de la luz y predecir la existencia del fotón, que sería una partícula sin masa ni carga eléctrica.  Así pues, hasta 1932 podía explicarse la constitución de la materia sólo con cuatro partículas elementales: el electrón, el protón, el neutrón y el fotón. Sin embargo, pronto se comprobó que el número de partículas elementales era mucho mayor.

Investigando sobre una hipótesis de Paul Dirac, se descubrió en ese año el positrón por Carl Anderson. Es esta una partícula con la misma masa que el electrón y el mismo valor absoluto de carga, sólo que positiva (e⁺) . También se denomina antielectrón. 

Resultó que los neutrinos no eran partículas fantasmas

Otra partícula descubierta a principio de los años treinta del pasado siglo fue el neutrino, que ya había sido postulado por W. Pauli, para poder explicar una aparente violación en el principio de conservación del principio de conservación de la energía cuando se producía una desintegración b. Fue detectado en 1956 por un equipo de físicos de la universidad de Berkeley, entre los cuales se encontraban Segre y Chamberlain, que posteriormente fueron galardonados con el premio Nobel por su descubrimiento.

Los piones de Huideki eran en realidad Gluones.Los Gluones son los Bosones que intermedian la fuerza nuclear fuerte, y, rtienen a los Quarks dentro de los Hadrones

En 1935 Hideki Yukawa propone la existencia de una partícula para explicar las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Esta partícula se denominó mesón, ya que tenía una masa intermedia entre la del protón y la del electrón (unas 200 veces la masa de éste). Actualmente esta partícula se denomina pión o mesón p y se detectó por primera vez en la radiación cósmica que llega a la Tierra (1947).

En 1937 se descubre el muón, una partícula con la misma carga que el electrón, pero con una masa de una 200 veces la de éste.  A partir de 1940 se descubrieron cientos de partículas elementales y además las correspondientes antipartículas, idénticas en masa y vida media, pero con carga opuesta. Esta proliferación de partículas hizo que los físicos desarrollasen unos criterios para clasificarlas y llegar a comprender tanto la estructura interna de la materia como la naturaleza de las interacciones que existen entre ellas.

                         el electromagnetismo está presente en todo el Universo

De todos aquellas ideas similares y  trabajos pioneros, hemos llegado a discernir lo que, en realidad, son las interacciones fundamentales y viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles. Veamos donde estamos hoy:

                                       La Interacción electromagnética

Es la fuerza con la cual las partículas cargadas se repelen (si sus cargas son iguales) o se atraen (si sus cargas sis diferentes, de signos opuestos). La Interacciones magnética es la fuerza que experimenta una partícula eléctricamente cargada que se mueve a través de un campo magnético. Las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético como, por ejemplo, los electrones que fluyen a través de las espiras de una bobina.

Un electrón y un protón se atraen de dos maneras, por un lado a causa de que el primero tiene carga eléctrica positiva y el segundo negativa, y ya se sabe que cargas contrarias se atraen. Por el otro, a causa de sus propias masas, como efecto de la fuerza de la gravedad. Se puede calcular que la atracción causada por las cargas eléctricas es aproximadamente “10⁴⁰” veces mayor que la atracción gravitatoria.

Las fuerzas magnéticas y eléctricas están entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consiguió formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas eléctricas y magnéticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consiguió la teoría unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.

La interacción es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante débil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electrón y 2hc (dos veces la constante de Planck por la velocidad de la luz). Esta fracción es aproximadamente igual a 1/137’036…, o lo que llamamos α y se conoce como constante de estructura fina.

En general, el alcance de una interacción electromagnética es inversamente proporcional a la masa de la partícula mediadora, en este caso, el fotón, sin masa.

La Interacción Gravitatoria que mantiene unidos los planetas alrededor del Sol y las galaxias en los Cúmulos, También nuestros pies unidos al suelo de la Tierra. Sin la Gravedad, todo el Universo sería un gran Caos de objetos dispersos y flotando de manera aleatoria por todas partes.

Así que la Gravedad es una Interacción fundamental de la Que Newton y después Einstein, nos dejaron bien claras sus complejas estructuras (al menos las que al momento creemos que son) que fueron relacionadas a partir de 1915 con las estructuras del espacio-tiempo. Sin embargo, aún no sabemos como poder conciliar las leyes de la gravedad, con las leyes de la mecánica cuántica (excepto cuando la interacción gravitatoria es extremadamente débil -entre dos partículas por ejemplo).

– La interacción gravitatoria actúa exclusivamente sobre la masa de las partículas.

– La interacción es de largo alcance (probablemente llegue a los más lejanos confines del Universo conocido).

– La Interacción es tan debido que probablemente nunca podremos detectar experimentalmente la atracción gravitatoria entre dos partículas elementales. La única razón por la que podemos medir esta interacción es porque es colectiva: todas las partículas (de la Tierra) atraen a todas las partículas (de nuestro cuerpo) en la misma dirección.

El Gravitón, que no ha sido hallado todavía, allá donde pueda estar, se ríe de nosotros

. La partícula mediadora es el hipotético “Gravitón”. Aunque aún nos e ha descubierto experimentalmente, sabemos lo que predice la mecánica cuántica: que tiene una masa nula y espín 2.

Una ley general para las interacciones es que, si el mediador tiene espín par, la fuerza entre cargas iguales es atractiva y entre cargas opuestas repulsivas. Si el Espín es impar (como en el electromagnetismo) se cumple la inversa.

La Interacción fuerte. Los Gluones retienen a los Quarks confinados dentro de los nucleones.

Esta fuerza es la única que aumenta con la distancia, cuanto más se separen los Quarks, más fuerte será la fuerza para impedir que se separen. Actúa como el muelle de acero, cuanto más estiramos más resistencia opone.

Hasta 1972, sólo se conocían las reglas de simetría de las interacción fuerte y nio fuimos capaces de formulas las leyes de esta Interacción con la debida precisión.:

– El alcance de esta interacción no se extiende más allá del radio del núcleo atómico (10^-13 cm aproximadamente)..

-La interacción es fuerte. Bajo la influencia de esta interacción, las partículas que pueden desintegrarse, las “resonancias” lo hacen muy rápidamente. Un ejemplo es la resonancia Δ, con una vida media de solamente 0,6 x 10^-23 s Esta colisión es extremadamente probable cuando dos hadrones se encuentran a una distancia cercana a 10^-13 cm.

Hasta 1972 se pensaba que los mediadores de las interacciones fuertes eran piones, que tienen espín 0 y masa comprendida entre 135 y 140 MeV. Por ejemplo, la fuerte atracción entre dos protones se debe fundamentalmente al intercambio de un pión. Hoy día se dice que esto obedece al hecho que de que los piones son los hadrones más ligeros y que como los demás hadrones, están formados por “Quarks”. La interacciones fuerte es entonces un efecto secundario de una interacción más fuerte incluso entre Quarks. Los mediadores de esta interacción más fuerte son los gluones.

                                           Estados de la materia y fuerzas intermoleculares

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

La interacción fuerte, como se ha explicado muchas veces, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Como los protones y neutrones están compuestos de Quarks, éstos dentro de dichos bariones, están sometidos o confinados en aquel recinto, y, no se pueden separar por impedirlo los gluones que ejercen la fuerza fuerte, es decir, esta fuerza, al contrario que las demás, cuando más se alejan los quarks los unos de los otros más intensa se vuelve. Aumenta con la distancia.

El concepto de campo de Faraday ha dado mucho juego en Física, es un concepto ideal para explicar ciertos fenómenos que se han podido observar en las investigaciones de las fuerzas fundamentales y otros. El campo no se ve, sin embargo, está ahí, rodea los cuerpos como, por ejemplo, un electrón o el planeta Tierra que emite su campo electromagnético a su alrededor y que tan útil nos resulta para evitar problemas.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang–Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

Interacción débil

La Interacción débil es la responsable de que muchas partículas y también muchos núcleos atómicos exóticos sean inestables. Esta interacción pierde provocar que una partícula se transforme en otra relacionada, por emisión de un electrón y un neutrino. Enrico Fermi en 1934 estableció una regla general de la interacción débil, que fue mejorada posteriormente por George Sudarshan, Robert Marshak, Murray Gell Mann, Richard Feynman y otros. La fórmula mejorada funcionaba muy bien, pero hizo evidente que no era adecuada en todas las circunstancias. En 1970 de las siguientes características de las interacciones débiles sólo se conocían las tres primeras:

– La interacción actúa de forma universal sobre muchos tipos diferentes de partículas y su intensidad es aproximadamente igual para todas (aunque sus efectos pueden ser muy diferentes en cada caso). A los neutrinos les afecta exclusivamente la interacción débil.

– Comparada con las demás interacciones, ésta tiene un alcance muy corto.

– La interacción es muy débil. Consecuentemente, los choques en partículas de los cuales los neutrinos involucrados son tan poco frecuentes que se necesitan chorros muy intensos de neutrinos para poder estudiar los sucesos.

– Los mediadores de las interacción débil, llamados W⁺ y W^–, no se detectaron hasta la década de 1980. Al igual que el fotón tienen espín 1, pero están eléctricamente cargados y son muy pesados (esta es la causa por el que el alcance de la interacción es tan corto). Hay un tercer mediador Zº, que es responsable de un tercer tipo de interacción débil que no tiene nada que ver con la desintegración de las partículas.; la “corriente neutra”. Permite que los neutrinos puedan colisionar con otras partículas sin cambiar su identidad.

A partir de 1970, quedó clara la relación entre la interacción débil y la interacción electromagnética, que dio lugar a la teoría electrodébil tan conocida hoy.

Así, estas cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza son las leyes que rigen en el Universo y, están presentes en todos sus campos y regiones por muy alejados que estos se puedan encontrar e inciden en los comportamientos de todos los objetos que conocemos como los mundos, las estrellas, los seres vivos, las galaxias y las Nebulosas y, también, en aquellos que no podemos ver pero que, de seguro están ahí supeditados a esas interacciones que todo lo rigen y hacen de nuestro mundo el que todos conocemos.

Todo ello lo hemos podido discernir a lo largo de un proceso largo de observación y experimento y mucha intuición de mentes privilegiadas que intuyeron donde se encontraban las respuestas. Nosotros, tenemos la suerte de encontrarnos ahora en una época más o menos avanzada y en la que contamos con tecnologías que nos llevarían mucho más allá del mundo que conocemos para adentrarnos en ese otro del futuro en el que, la Física, no tenga tantos secretos para nosotros y, si eso lo conseguimos, estaremos en un mundo mejor y conoceremos por fin, nuestro Universo y, de camino también a nosotros mismos…¡que falta hace!

emilio silvera

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