{"id":9148,"date":"2013-07-07T08:36:33","date_gmt":"2013-07-07T07:36:33","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=9148"},"modified":"2013-07-07T08:36:33","modified_gmt":"2013-07-07T07:36:33","slug":"el-cuarto-estado-de-la-materia-%c2%a1plasma-%c2%bfhabra-otros","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2013\/07\/07\/el-cuarto-estado-de-la-materia-%c2%a1plasma-%c2%bfhabra-otros\/","title":{"rendered":"El cuarto estado de la materia: \u00a1Plasma! \u00bfHabr\u00e1 otros?"},"content":{"rendered":"

En la Naturaleza hay muchos sistemas que exhiben estructuras, patrones y comportamientos din\u00e1micos que no se esperan a priori dadas las leyes que gobiernan el comportamiento de los elementos que los componen. Se les llama sistemas complejos<\/strong>.<\/p>\n

\"[DSC05850_resize.jpg]\"<\/p>\n

\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 En un\u00a0Bosque Tropical, por muchas razones, tambi\u00e9n est\u00e1 presente la complejidad<\/p>\n

Hay varios ingredientes comunes a casi todos ellos. Son en su mayor\u00eda sistemas que se mantienen fuera del equilibrio termodin\u00e1mico por acci\u00f3n externa. En ellos, se establecen fuertes interacciones no-lineales entre un gran n\u00famero de componentes o grados de libertad; existen umbrales locales para la excitaci\u00f3n de inestabilidades; asimismo, hay abundantes fluctuaciones y ruidos de distinto tipo y naturaleza. Ejemplos de estos sistemas son los Forestales, las Placas Test\u00f3nicas e incluso muchos sistemas sociales y econ\u00f3micos. Pero, en este caso, nos centraremos en un sistema complejo que est\u00e1 presente en el Universo y que, es en realidad el estado m\u00e1s com\u00fan que adopta la materia conocida: \u00a1El plasma<\/a>!<\/p>\n

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Secci\u00f3n del reactor Tokamak de ITER<\/a>, el m\u00e1s rentable y prometedor de todos los reactores de fusi\u00f3n termonuclear.<\/div>\n

La din\u00e1mica del plasma<\/a> es extremadamente compleja, y en la actualidad no se ha logrado comprenderla por completo. Cient\u00edficos del Centro de Investigaciones Energ\u00e9ticas Medioambientales y Tecnol\u00f3gicas (CIEMAT), que han trabajado en el c\u00e1lculo de plasma<\/a>s para el Stellarator espa\u00f1ol TJ-II, y del Instituto de Biocomputaci\u00f3n y F\u00edsica de Sistemas Complejos (BIFI) de la Universidad de Zaragoza realizan simulaciones de plasma<\/a>s que se obtendr\u00e1n en el proyecto ITER.<\/p>\n

Pero continu\u00e9mos con el art\u00edculo…<\/p>\n

Comportamientos de este tipo son tambi\u00e9n comunes\u00a0en muchos Plasmas, un estado de la materia similar a un gas en el que las part\u00edculas est\u00e1n 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 magn\u00e9ticos y el\u00e9ctricos.<\/p>\n

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En nuestro Universo, el Plasma est\u00e1 presente en mucho lugares y, de hecho, es la forma m\u00e1s com\u00fan de la materia conocida y que podemos observar, es decir, la Bari\u00f3nica, la que emite radiaci\u00f3n. Todas las estrellas del cielo est\u00e1n compuestas de materia en forma de plasma<\/a>. Tambi\u00e9n son filamentos de plasma<\/a> los que podemos observar en los remanentes de supernovas.<\/p>\n

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\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Condensaci\u00f3n de Bose-Einstein<\/a><\/p>\n

\u00bfC\u00f3mo cuarto estado? \u00bfEs que no existen tres estados? Existe el gas, el l\u00edquido y el s\u00f3lido…\u00bfexisten mas estados? Pues s\u00ed que existen y, adem\u00e1s del Plasma, existe todav\u00eda un quinto estado de la materia: los condensados de Bose-Einstein<\/a>, predichos por Bose y Einstein<\/a> en 1924, realizados en el laboratorio durante el a\u00f1o 1995 por Eric Cornell, Wolfgan Ketterle y Carl Wieman. Ganadores \u00e9stos del Nobel en el 2001, pudieron enfriar \u00e1tomos hasta casi dejarlos inm\u00f3viles. \u00c9ste nuevo estado poseen propiedades que otros estados no poseen como la superconductividad y la superfluidez. Sigamos.<\/p>\n

Por ello, los Plasmas se encuentran a menudo en la frontera entre comportamiento ordenado y desordenado, siendo tan inadecuado describirlos usando funciones matem\u00e1ticas sencillas y suaves como mediante formalismos puramente aleatorios. En este art\u00edculo, Ra\u00fal S\u00e1nchez, Boudewijn Ph, van Milligen y Juan M.R. Parrondo, repasan algunos de los comportamientos complejos observados en Plasmas diversos, desde los de inter\u00e9s para generar energ\u00eda de fusi\u00f3n hasta Plasmas atmosf\u00e9ricos, solares y astrof\u00edsicos.<\/p>\n

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\u00bfQu\u00e9 son los Plasmas Astrof\u00edsicos?\u00a0 Pues arriba, en la imagen de la Nebulosa de Ori\u00f3n est\u00e1 presente<\/p>\n

Las caracter\u00edsticas de los plasma<\/a>s astrof\u00edsicos (su densidad, su temperatura y su campo magn\u00e9tico) cubren un amplio rango de valores en el Universo. La densidad puede ser de menos de una part\u00edcula por cent\u00edmetro c\u00fabico (como en el medio intergal\u00e1ctico) hasta muchos millones de millones de part\u00edculas por cent\u00edmetro c\u00fabico como (en el interior de las estrellas). La temperatura va desde algunos miles o decenas de miles de grados en los espacios intergal\u00e1ctico e interestelar hasta varios millones en el interior de las estrellas. Y los valores del campo magn\u00e9tico tambi\u00e9n cambian muy dr\u00e1sticamente, desde valores de millon\u00e9simas de Gauss en el plasma<\/a> intergal\u00e1ctico hasta cientos de miles de Gauss en algunas estrellas. En astrof\u00edsica, pues, es fundamental la investigaci\u00f3n de los plasma<\/a>s magnetizados.<\/p>\n

En las \u00faltimas d\u00e9cadas ha adquirido gran popularidad la llamada comunmente teor\u00eda de la complejidad<\/em>. El n\u00famero de art\u00edculos, 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 teor\u00eda de la complejidad, al menos en el sentido tradicional de una teor\u00eda cerrada al estilo de la relatividad<\/a> o la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica.<\/p>\n

\"File:Mandel<\/p>\n

\u00a0\u00a0\u00a0 Si observamos con atenci\u00f3n, podemos ver c\u00f3mo en el Universo, muchas cosas se repiten y tienden a copiar patrones<\/p>\n

Lo que se conoce como teor\u00eda de la complejidad es m\u00e1s bien un conjunto de ideas, modelos paradigm\u00e1ticos, t\u00e9cnicas y herramientas que pueden ser \u00fatiles para caracterizar la din\u00e1mica de los llamados sistemas complejos<\/em>. La definici\u00f3n de los mismos es tambi\u00e9n imprecisa, habiendo posiblemente tantas definiciones diferentes como investigadores trabajando en ese campo.<\/p>\n

Aqu\u00ed, introduzco algunos comentarios m\u00edos que vienen a dejar en el aire preguntas que quisi\u00e9ramos tener resueltas, como por ejemplo:<\/p>\n

\u00bfPor qu\u00e9 la ciencia se las arregla para un cohete a un planeta distante, haci\u00e9ndonos saber qu\u00e9 d\u00eda y a qu\u00e9 hora llegar\u00e1, pero nos deja inciertos sobre el pron\u00f3stico meteorol\u00f3gico del fin de semana? \u00bfExisten sistemas que no se pueden predecir? \u00bfPor qu\u00e9? \u00bfCu\u00e1les son? Causas y azares cuenta la historia del caos y de los sistemas complejos, de c\u00f3mo se descubri\u00f3 que peque\u00f1\u00edsimas variaciones en las condiciones iniciales de un sistema podr\u00edan dar lugar a resultados insospechados, es decir, c\u00f3mo los sistemas son capaces de comportarse ca\u00f3ticamente.<\/p>\n

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En este art\u00edculo, los autores tambi\u00e9n expondr\u00e1n sus definiciones, y, para ellos, un sistema complejo cuando est\u00e1 compuesto de un gran n\u00famero de partes o grados de libertad que interaccionan no-linealmente entre s\u00ed y que, como resultado de esta interacci\u00f3n, exhiben comportamientos din\u00e1micos no extendibles como la simple suma de los comportamientos individuales de sus componentes. <\/em>Entre estos comportamientos se suelen mencionar fen\u00f3menos de auto-organizaci\u00f3n <\/strong>y emergencia<\/strong>, as\u00ed como la exhibici\u00f3n de propiedades como auto-similaridad<\/strong> espacial y temporal, o la importancia de la memoria<\/strong> en la din\u00e1mica del sistema.<\/p>\n

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\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Muchos son los sistemas que est\u00e1n auto-organizados y siguen una din\u00e1mica que les dicta la memoria.<\/p>\n

Por auto-organizaci\u00f3n se entiende que el hecho de que el Sistema evoluciona expont\u00e1neamente, sin ser guiado desde fuera, hacia un punto fijo de la din\u00e1mica en el que, manteniendose fuera del equilibrio terrmodin\u00e1mico, se exhiben el resto de propiedades. Entre las propiedades emergentes destacan la aparici\u00f3n de patrones espaciales o temporales y estructuras macrosc\u00f3picas y coherentes. En muchos casos, estos estados atractores de la din\u00e1mica son invariantes bajo cambios de escala (es decir, auto similares) y su evoluci\u00f3n 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 fracci\u00f3n m\u00e1s o menos grande de los \u00e1tomos que lo componen se encuentran ionizados.<\/p>\n

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Enorme cantidad de \u00e1tomos ionizados est\u00e1n presentes en esa protuberancia del Sol que, al estar formados por part\u00edculas cargadas, son extremadamente sensibles a la presencia de campos el\u00e9ctricos y magn\u00e9ticos, los cuales pueden cambiar r\u00e1pidamente debido al movimiento de las cargas, , que hacen que cualkquier perturbaci\u00f3n de los mismos se aten\u00fae o, por el contrario, crezca exponencialmente dando lugar a algunas de las m\u00faltiples inestabilidades posibles en estos sistemas..<\/p>\n

La descripci\u00f3n m\u00e1s sencilla de estos Plasmas viene dada por el sistema acoplado formado por una ecuaci\u00f3n cin\u00e9tica que describa la evoluc\u00ed\u00f3n de la funci\u00f3n de distribuici\u00f3n de iones y electrones<\/a>, m\u00e1s la ecuaci\u00f3n de Maxwell incvluyendo en sus fuentes las densidades de cargas y corrientes debidas al movimiento de las cargas que forman el Plasma.<\/p>\n

Fen\u00f3menos emergentes en Plasmas<\/strong><\/p>\n

Debido a este acoplamiento tan fuerte y no-lineal entre part\u00edculas cargadas y campos, existen en todo momento un gan n\u00famero de grados de libertad en constante interacci\u00f3n en estos plasma<\/a>s, lo que hace que sean medios extremadamente turbulentos. Por ello, los plasma<\/a>s son un gran medio de cultivo en el que aparecen din\u00e1micas complejas en el sentido anteriormente descrito.<\/p>\n

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Ejemplos de fen\u00f3menos emergentes pueden encontrarse en las dinamos solares y gal\u00e1cticas<\/strong>, procesos por el cual estrellas y galaxias son capaces de generar un campo magn\u00e9tico macrosc\u00f3pico no nulo o reforzar un campo preexistente a trav\u00e9s de la interacci\u00f3n no linela entre grados de libertad cin\u00e9ticos y magn\u00e9ticos de los Plasmas que las componen.<\/p>\n

Por ejemplo, la din\u00e1mo solar es el proceso por el cual se genera el campo magn\u00e9tico dipolar del Sol. El mecanismo detallado de su generaci\u00f3n es a\u00fan desconocido, aunque parece claro que es generado por una corriente el\u00e9ctrica que fluye en su interior, producida por la rotaci\u00f3n diferencial de la gran bola de plasma<\/a> que es el Sol.<\/p>\n

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,\u00a0 la dinamo es auto-generada, como es el caso del Sol. La direcci\u00f3n del campo magn\u00e9tico solar resultante se invierte aproximadamente cada 11 a\u00f1os, lo que causa los ciclos de manchas solares asociados a los tubos magn\u00e9ticos que suben a la superficie del Sol desde el interior. La secuencia temporal de estas inversiones es sin embargo mucho m\u00e1s complicada que una simple variaci\u00f3n peri\u00f3dica, y exhibe correlaciones temporales de largo alcance (es decir, memoria).<\/p>\n

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\u00a0 Las grandes manchas solares que podemos observar cuando el Sol est\u00e1 en plena actividad. Nuestro Sol es una compleja bola de plasma<\/a>, la Din\u00e1mica de las llamaradas solares, de las que m\u00e1s arriba y abajo podemos observar una muestra, son tan potentes que inciden en nuestro planeta situado a ciento cincuenta millones de kil\u00f3metros. De hecho, esa actividad solar, el comportamiento del plasma<\/a> nos lleva hasta las transiciones de fase de la materia que en lugares como el coraz\u00f3n de las estrellas, se pueden transmutar de sencillos en complejos. La vida no ser\u00eda posible sin las estrellas.<\/p>\n

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Las llamaradas solares son uno de los\u00a0fen\u00f3menos solares m\u00e1s impresionantes y tambi\u00e9n de los m\u00e1s estudiados tanto te\u00f3ricamente como experimentalmente. Existen abundantes series temporales obtenidas de la observaci\u00f3n de las mismas, y la comprensi\u00f3n de su estad\u00edstica es un campo de estudio tan intenso como el del estudio de los mecanismos f\u00edsicos que gobiernan su aparici\u00f3n.<\/p>\n

Se trata de eventos catastr\u00f3ficos que tienen lugar en la corona solar, probablemente disparados por la inestabilidad asociada a la reconexi\u00f3n de l\u00edneas magn\u00e9ticas, y que producen una emisi\u00f3n sobre practicamente todo el espectro electromagn\u00e9tico. La reconexi\u00f3n que tiene lugar en la corona es alimentada desde el interior del Sol por la combinaci\u00f3n de complejos flujos turbulentos y la rotaci\u00f3n diferencial del Sol. la acumulaci\u00f3n de tubos magn\u00e9ticos en la corona provenientes del interior del Sol continua hasta que supera un umbral cr\u00edtico.<\/p>\n

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No podemos negar, en contra de nuestro deseo, que la estructura interior del Sol sigue siendo misteriosa, y, a\u00fan 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 permitir\u00e1, quiz\u00e1s, tener fuentes de energ\u00edas de las que ahora carecemos.<\/p>\n

Podr\u00edamos seguir con las tormentas magn\u00e9ticas y el transporte radial inducido por turbulencia marginal en plasma<\/a>s de fusi\u00f3n, o bien, centrarnos en Modelos efectivos de transporte para sistemas complejos. Tambi\u00e9n se podr\u00eda hablar aqu\u00ed de que la materia, seguramente\u00a0 adopta otros estados que a\u00edn no hemos llegado a conocer como esa hipot\u00e9tica “sopa de Quarks-Gluones” que, seguramente, est\u00e1 presente en el \u00e1mbito estelar.<\/p>\n

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Se cree que si elevamos las temperaturas m\u00e1s de cien mil veces la que hay en el interior del Sol, la materia adoptar\u00eda ese estado de plasma<\/a> de quarks<\/a>-gluones<\/a>. He leido por ah\u00ed que:\u00a0 “El plasma<\/a> de quarks<\/a>-gluones<\/a> es un estado de la materia en el que los quarks<\/a>, que normalmente aparecen en parejas o tr\u00edos, flotan libremente en una sopa caliente c\u00f3smica. Los te\u00f3ricos creen que el universo estaba en este estado unos microsegundos tras el Big Bang<\/a>, justo antes de enfriarse y pasar al estado normal de materia que vemos actualmente”.<\/p>\n

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“El acelerador del CERN ha pulverizado el r\u00e9cord de temperatura causado por el ser humano. En su b\u00fasqueda de la materia primigenia del universo<\/a> ha creado un plasma<\/a> de m\u00e1s de cinco billones de grados Celsiuss; cuatrocientas mil veces m\u00e1s caliente que el nucleo del Sol y un 38% m\u00e1s que la anterior marca.<\/p>\n

En el Libro Guinness a\u00fan figura la temperatura que estableci\u00f3 el Laboratorio Nacional de Brookhaven<\/a> (Nueva York) en 2010 durante un experimento parecido \u2014de colisi\u00f3n de iones pesados\u2014. Alcanzaron los cuatro billones de grados Celsiuss. En cuanto los cient\u00edficos del CERN puedan dar una cifra exacta de la que han conseguido ellos \u2014que rondar\u00e1 los 5,5 billones \u00baC\u2014, se apoderar\u00e1n del r\u00e9cord.<\/p>\n

Los resultados se han medido en el experimento ALICE del LHC. Este detector est\u00e1 especializado en registrar y estudiar lo que ocurre al colisionar nucleos at\u00f3micos pesados. Su objetivo es conocer la naturaleza \u00edntima de la materia, adem\u00e1s de las condiciones de los primeros instantes del universo. Aunque su trabajo no es romper r\u00e9cords de temperatura, era casi inevitable que el acelerador del CERN se llevase la gloria. Nadie puede colisionar part\u00edculas con tanta energ\u00eda.<\/p>\n

El material que ha alcanzado una temperatura tan elevada es un plasma<\/a> de quarks<\/a> y gluones<\/a>. Estos son, respectivamente, los ladrillos y el cemento de la materia. En estado plasm\u00e1tico fluyen sin unirse entre s\u00ed en lo que se cree que fue la primera materia del universo tras el Big Bang<\/a>. \u00c9ste se comporta como un gas perfecto \u2014sin fricci\u00f3n alguna\u2014 hasta que se transforma en materia ordinaria.”<\/p>\n<\/div>\n

Bueno, creo que el objetivo de lo que pretend\u00eda al comentar est\u00e1 cumplido.<\/p>\n

emilio silvera<\/p>\n

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