{"id":2972,"date":"2009-11-24T09:45:53","date_gmt":"2009-11-24T07:45:53","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=2972"},"modified":"2009-11-24T11:07:47","modified_gmt":"2009-11-24T09:07:47","slug":"constituyentes-de-la-materia","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2009\/11\/24\/constituyentes-de-la-materia\/","title":{"rendered":"Constituyentes de la materia"},"content":{"rendered":"

Constituyentes fundamentales de toda la materia del universo. Hasta el descubrimiento del electr\u00f3n<\/a> por J. J. Thomson en 1897 se pensaba que los \u00e1tomos eran los constituyentes fundamentales de la materia. Este hallazgo, junto con el de Rutherford del n\u00facleo at\u00f3mico y del prot\u00f3n<\/a> en 1911, hizo evidente que los \u00e1tomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna. Es descubrimiento de Chadwick del neutr\u00f3n<\/a> en 1932 complet\u00f3 el modelo at\u00f3mico basado en un n\u00facleo at\u00f3mico consistente en protones<\/a> y neutrones<\/a> rodeados de un n\u00famero suficiente de electrones<\/a> como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del n\u00facleo, que claramente no pod\u00eda mantenerse unido por una interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica, pues el neutr\u00f3n<\/a> no tiene carga el\u00e9ctrica.<\/p>\n

Velocidades inimaginables<\/span><\/p>\n

En el centro del \u00e1tomo se encuentra un peque\u00f1o grano compacto aproximadamente 100.000 veces m\u00e1s peque\u00f1o que el propio \u00e1tomo: el n\u00facleo at\u00f3mico. Su masa, e incluso m\u00e1s a\u00fan su carga el\u00e9ctrica, determinan las propiedades del \u00e1tomo del cual forma parte. Debido a la solidez del n\u00facleo parece que los \u00e1tomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre s\u00ed, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias qu\u00edmicas (los elementos). Pero el n\u00facleo, a pesar de ser tan s\u00f3lido, puede partirse. Si dos \u00e1tomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podr\u00eda suceder que los n\u00facleos llegaran a chocar entre s\u00ed y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso part\u00edculas subnucleares. La nueva f\u00edsica de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas part\u00edculas planteaban.<\/p>\n

Pero tenemos la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica; \u00bfes que no es aplicable siempre?, \u00bfcu\u00e1l es la dificultad? Desde luego, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica es v\u00e1lida para las part\u00edculas subat\u00f3micas, pero hay m\u00e1s que eso. Las fuerzas con que estas part\u00edculas interaccionan y que mantienen el n\u00facleo at\u00f3mico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del n\u00facleo est\u00e1n cerca de la velocidad de la luz, c<\/em>, que es de 299.792\u2019458 Km\/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificaci\u00f3n a las leyes de la f\u00edsica del siglo XIX; tenemos que contar con la teor\u00eda de la relatividad<\/a> especial de Einstein<\/a>.<\/p>\n

Esta teor\u00eda tambi\u00e9n fue el resultado de una publicaci\u00f3n de Einstein<\/a> de 1905. en esta teor\u00eda quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habr\u00e1 un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.<\/p>\n

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Pero hab\u00eda m\u00e1s cosas que ten\u00edan que ser relativas. En este teor\u00eda, la masa y la energ\u00eda tambi\u00e9n dependen de la velocidad, como lo hacen la intensidad del campo el\u00e9ctrico y del magn\u00e9tico.<\/p>\n

Einstein<\/a> descubri\u00f3 que la masa de una part\u00edcula es siempre proporcional a la energ\u00eda que contienen, supuesto que se haya tenido en cuenta una gran cantidad de energ\u00eda en reposo<\/em> de una part\u00edcula cualquiera, como se denota a continuaci\u00f3n:<\/p>\n

E = mc2<\/sup><\/p>\n

Como la velocidad de la luz es muy grande, esta ecuaci\u00f3n sugiere que cada part\u00edcula debe almacenar una cantidad enorme de energ\u00eda, y en parte esta predicci\u00f3n fue la que hizo que la teor\u00eda de la relatividad<\/a> tuviese tanta importancia para la f\u00edsica (\u00a1y para todo el mundo!). Para que la teor\u00eda de la relatividad<\/a> tambi\u00e9n sea autoconsistente tiene que ser holista<\/em>, esto es, que todas las cosas y todo el mundo obedezcan a las leyes de la relatividad<\/a>. No son s\u00f3lo los relojes los que se atrasan a grandes velocidades, sino que todos los procesos animados se comportan de la forma tan inusual que describe esta teor\u00eda cuando nos acercamos a la velocidad de la luz. El coraz\u00f3n humano es simplemente un reloj biol\u00f3gico y latir\u00e1 a una velocidad menor cuando viaje en un veh\u00edculo espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Este extra\u00f1o fen\u00f3meno conduce a lo que se conoce como la \u201cparadoja de los gemelos\u201d, sugerida por Einstein<\/a>, en la que dos gemelos id\u00e9nticos tienen diferente edad cuando se reencuentran despu\u00e9s de que uno haya permanecido en la Tierra mientras que el otro ha viajado a velocidades relativistas.<\/p>\n

Einstein<\/a> comprendi\u00f3 r\u00e1pidamente que las leyes de la gravedad tambi\u00e9n tendr\u00edan que ser modificadas para que cumplieran el principio relativista.<\/p>\n

Para poder aplicar el principio de la relatividad<\/a> a la fuerza gravitatoria, el principio tuvo que ser extendido de la siguiente manera: no s\u00f3lo debe ser imposible determinar la velocidad absoluta del laboratorio, sino que tambi\u00e9n es imposible distinguir los cambios de velocidad de los efectos de una fuerza gravitatoria.<\/p>\n

Einstein<\/a> comprendi\u00f3 que la consecuencia de esto era que la gravedad hace al espacio-tiempo lo que la humedad a una hoja de papel: deformar la superficie con desigualdades que no se pueden eliminar. Hoy en d\u00eda se conocen muy bien las matem\u00e1ticas de los espacios curvos, pero en el \u00e9poca de Einstein<\/a> el uso de estas nociones matem\u00e1ticas tan abstractas para formular leyes f\u00edsicas era algo completamente nuevo, y le llev\u00f3 varios a\u00f1os encontrar la herramienta matem\u00e1tica adecuada para formular su teor\u00eda general de la relatividad<\/a> que describe c\u00f3mo se curva el espacio en presencia de grandes masas como planetas y estrellas.<\/p>\n

Einstein<\/a> ten\u00eda la idea en su mente desde 1907 (la relatividad<\/a> especial la formul\u00f3 en 1905), y se pas\u00f3 8 a\u00f1os buscando las matem\u00e1ticas adecuadas para su formulaci\u00f3n.<\/p>\n

Leyendo el material enviado por un amigo al que pidi\u00f3 ayuda, Einstein<\/a> qued\u00f3 paralizado. Ante \u00e9l, en la primera p\u00e1gina de una conferencia dada ante el Sindicato de Carpinteros, 60 a\u00f1os antes por un tal Riemann, ten\u00eda la soluci\u00f3n a sus desvelos: el tensor m\u00e9trico<\/a> de Riemann<\/em>, que le permitir\u00eda utilizar una geometr\u00eda espacial de los espacios curvos que explicaba su relatividad<\/a> general.<\/p>\n

No est\u00e1 mal que en este punto recordemos la fuerza magn\u00e9tica y gravitatoria que nos puede ayudar a comprender mejor el comportamiento de las part\u00edculas subat\u00f3micas.<\/p>\n

El electromagnetismo, dec\u00edamos al principio, es la fuerza con la cual dos part\u00edculas cargadas el\u00e9ctricamente se repelen (si sus cargas son iguales) o se atraen (si tienen cargas de signo opuesto).<\/p>\n

La interacci\u00f3n magn\u00e9tica es la fuerza que experimenta una part\u00edcula el\u00e9ctricamente cargada que se mueve a trav\u00e9s de un campo magn\u00e9tico. Las part\u00edculas cargadas en movimiento generan un campo magn\u00e9tico como, por ejemplo, los electrones<\/a> que fluyen a trav\u00e9s de las espiras de una bobina.<\/p>\n

Las fuerzas magn\u00e9ticas y el\u00e9ctricas est\u00e1n entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consigui\u00f3 formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas el\u00e9ctricas y magn\u00e9ticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consigui\u00f3 la teor\u00eda unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.<\/p>\n

La interacci\u00f3n es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante d\u00e9bil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electr\u00f3n<\/a> y 2hc<\/em> (dos veces la constante de Planck<\/a> por la velocidad de la luz). Esta fracci\u00f3n es aproximadamente igual a 1\/137\u2019036\u2026, o lo que llamamos \u03b1 y se conoce como constante de estructura fina<\/em>.<\/p>\n

En general, el alcance de una interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica es inversamente proporcional a la masa de la part\u00edcula mediadora, en este caso, el fot\u00f3n<\/a>, sin masa.<\/p>\n

Tambi\u00e9n antes hemos comentado sobre la interacci\u00f3n gravitatoria de la que Einstein<\/a> descubri\u00f3 su compleja estructura y la expuso al mundo en 1915 con el nombre de teor\u00eda general de la relatividad<\/a>, y la relacion\u00f3 con la curvatura del espacio y el tiempo. Sin embargo, a\u00fan no sabemos c\u00f3mo se podr\u00edan reconciliar las leyes de la gravedad y las leyes de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica (excepto cuando la acci\u00f3n gravitatoria es suficientemente d\u00e9bil).<\/p>\n

La teor\u00eda de Einstein<\/a> nos habla de los planetas y las estrellas del cosmos. La teor\u00eda de Planck, Heisemberg, Schr\u00f6dinger, Dirac, Feynman y tantos otros, nos habla del comportamiento del \u00e1tomo, del n\u00facleo, de las part\u00edculas elementales en relaci\u00f3n a estas interacciones fundamentales. La primera se ocupa de los cuerpos muy grandes y de los efectos que causan en el espacio y en el tiempo; la segunda de los cuerpos muy peque\u00f1os y de su importancia en el universo at\u00f3mico. Cuando hemos tratado de unir ambos mundos se produce una gran explosi\u00f3n de rechazo. Ambas teor\u00edas son (al menos de momento) irreconciliables.<\/p>\n