La visión de este trabajo está destinada a curiosos entusiastas de la Física
Muchos han sido los trabajos aquí presentados en los que hemos hablado de la Teoría de Einstein que llegó a la Física como Elefante en cacharrería, lo puso todo partas arriba, la “legalidad” reconocida se vio zarandeada en sus cimientos.
Que la energía y la masa eran dos aspectos de la misma cosa.
Que si un objeto viaja a velocidades cercanas a la de la luz… ¡Su masa aumenta!
Que para los viajeros de una nave que marcha a la velocidad de c, el Tiempo se ralentiza.
Primeros principios de ideas salidas de otros cerebros privilegiados como Lorentz y Maxwell (también otros).
Finalmente, y, ante la incredulidad de los físicos de primer nivel, tuvo que llegar Planck, que habiendo leído detenidamente los trabajos del joven Einstein, comprendió la importancia de los mismos y los publicó en una revista de la que era director y, desde ese momento, el joven empleado de la Oficina de Patentes de Berna (Suiza), fue una celebridad que, requerido por todos, se vio asediado a dar conferencias y rechazar mil puestos de trabajo de gran importancia.
Pero bueno, esto es una sencilla reseña, lo importante es oír al narrador.
Sí, el camino andado ha sido largo y muy penoso. Lo que no sabemos es, si finalmente habrá sido provechoso. ¿Nos dirigimos hacia una meta positiva con las decisiones adoptadas?
La Ciencia está convencida (según los fósiles y pruebas encontradas por los antropólogos), de que el Chimpancé y el Humano, tuvieron un ancestro común. Lo que no se ha podido saber, es el por qué, ese ancestro que no era ni Homo ni Pan, es el antecesor de las dos especies que, mientras la una sigue en la copa de los árboles, la otra trata de llegar a las estrellas.
Sahelanthropus Tchadensis
Siete millones años. Simios antropoides.
Unas dos docenas de especies diferentes.
no existe acuerdo sobre la cifra exacta.
marcan la evolución del humano, desde la postura bípeda hasta la era del Presente.
Nos dice Frank Ochmann.
No todos los miembros de esta pintoresca parentela son antepasados nuestros. Algunos de ellos siguieron vías evolutivas paralelas. Al final, sólo hemos quedado nosotros, aunque muchas de sus características siguen vivas en nuestros genes.
DESVELANDO EL PUZLE ANCESTRAL
En el mundo se han hallado miles de restos prehistóricos humanos. Con las nuevas técnicas de análisis de ADN, muchos de ellos han vuelto al laboratorio deparando nuevas sorpresas gracias a potentes programas informáticos que recomponen este puzle de tiempos remotos.
Los paleoantropólogos, sin embargo, pocas veces trabajan con esqueletos completos. Muchas veces, unas huellas, un hueso, un cráneo, una mandíbula o, incluso, un único diente son el único material disponible. Con suerte, como en el caso del Australopithecus afarensis llamado Lucy, se ha conservado un esqueleto bastante completo.
Su ejemplo nos permite explicar cómo se denomina a las distintas especies humanas: Australopithecus significa ‘mono del sur’, y su abreviatura es Au. A continuación sigue la descripción del lugar donde se encontró: en el caso de Lucy y su parentela afarensis se refiere a la depresión de Afar, en el este de África. Todas las especies humanas llevan el calificativo Homo, normalmente acompañado por una breve descripción derivada del yacimiento del que procede. Nuestra especie corona su nombre con esa sabiduría de la que se siente tan orgullosa: sapiens.
Durante mucho tiempo, nuestros ancestros se refugiaban en grandes grutas para preservarse de las inclemencias del tiempo, sobre todo del frío y de la lluvia con las temibles tormentas, de los peligros de felinos salvajes, y, allí encontraban un lugar que les daba algo de seguridad frente a la frágil naturaleza humana.
En el entonces precario nivel intelectual, no podían asombrarse ante tales escenarios, eran simples barreras que vencer
La dieta de los primeros seres humanos anatómicamente modernos se basaba en mamuts y verduras crudas, con lo que los Homo sapiens más antiguos se alimentaban de lo mismo que los neandertales y la competencia directa por los alimentos causó la extinción de estos últimos.
Y otro resultado de los estudios realizados fue una sorpresa para los científicos: la proporción de plantas en la dieta de los Homo sapiens fue significativamente mayor que en hallazgos de neandertales comparables. Por otra parte, los mamuts parecen haber sido una de las fuentes primarias de carne en ambas especies.
Y, el Ser Humano, comenzó a pensar, muchas son las pruebas que tenemos de pensadores. elegiré a este.
“Al igual que se tiene un concepto de las carnes y pescados y comestibles semejantes, sabiendo que esto es un cadáver de pez, aquello cadáver de un pájaro o de un cerdo; y también que el Falerno es zumo de uva, y la toga pretexta lana de oveja teñida con sangre de marisco; y respecto a la relación sexual, que es una fricción del intestino y eyaculación de un moquillo acompañada de cierta convulsión. ¡Cómo, en efecto, estos conceptos alcanzan sus objetos y penetran en su interior, de modo que se puede ver lo que son! De igual modo es preciso actuar a lo largo de la vida entera, y cuando las cosas te dan la impresión de ser dignas de crédito en exceso, desnúdalas y observa su nulo valor, y despójalas de la ficción , por la cual se vanaglorian. Pues el orgullo es un terrible embaucador de la razón, y cuando piensas ocuparte mayormente de las cosas serias, entonces, sobre todo, te embauca. Mira, por ejemplo, qué dice Crates acerca del mismo Jenócrates .
La mayor parte de las cosas que el vulgo admira se refieren a las más generales, a las constituidas por una especie de ser o naturaleza: piedras, madera, higueras, vides, olivos. Las personas un poco más comedidas tienden a admirar los seres animados, como los rebaños de vacas, ovejas o, sencillamente, la propiedad de esclavos. Y las personas todavía más agraciadas, las cosas realizadas por el espíritu racional, mas no el universal, sino aquél en tanto que es hábil en las artes o ingenioso de otra manera [o simplemente capaz de adquirir multitud de esclavos]. Pero el que honra el alma racional universal y social no vuelve su mirada a ninguna de las restantes cosas y, ante todo, procura conservar su alma en disposición y movimiento acorde con la razón y el bien común, y colabora con su semejante para alcanzar ese objetivo.”
Más tarde llegarían otros con pensamientos a mayor nivel, querían desvelar los secretos de la Naturaleza
Galileo Galilei: Precursor de Newton, “padre de la ciencia moderna” (aunque anterior, su trabajo fue la base).
Margarita Salas: Bioquímica española, pionera en biología molecular.
Estos científicos, junto a muchos otros, expandieron radicalmente el conocimiento del universo, desde las partículas subatómicas hasta la vastedad del cosmos y los secretos de la vida, basándose en los cimientos establecidos por Newton y sus contemporáneos.
Si seguimos relacionando los avances en otras disciplinas científicas, la Química, la Biología, las Matemáticas… ¡Nos faltaría espacio!
Sí, amigos míos, el camino ha sido muy largo y muy doloroso. ¿Lo sabremos valorar adecuadamente? ¿No meteremos finalmente la “patita” y mandaremos al traste todo lo conseguido?
Bueno, me gustaría contestar a esas preguntas pero… ¡El Futuro es Incierto!
La gran pregunta de por qué hay más materia que antimateria (la asimetría bariónica) se explica, según la física actual, por una violación de la simetría CPT durante los primeros instantes del universo, donde procesos raros permitieron que por cada mil millones de pares materia-antimateria que se aniquilaban, sobrara una partícula de materia, algo que se relaciona con la violación de la simetría CPT observada en partículas como los bariones y que todavía no se comprende del todo, y que se busca entender con experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
Hallazgo en la asimetría del universo
En nuestro Universo existen cosas extrañas que, seguramente, cuando sepamos más, sabremos su explicación: ¿Por qué no existen anti-bariones primordiales en el Universo mientras que hay un barión por cada mil millones de fotones?, dicho de otra manera, el origen de la materia. Claro que, para explicar este hecho necesitamos comprender como se comportaba nuestro Universo a temperaturas tan altas como un billón de grados.
No existen anti-bariones primordiales significativos porque, aunque el Big Bang creó materia y anti-materia en cantidades casi iguales, una minúscula asimetría (aproximadamente una partículas de materia por cada mil millones de pares materia-antimateria) permitió que la materia sobreviviera después de la aniquilación mutua, resultando un universo dominado por la materia que observamos, es decir, la bariónica que emite radiación. El misterio ha sido explicado por una violación de la simetría CPT, según experimentos realizados en el LHC.
Las interacciones entre partículas elementales (interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes) están clasificadas por su entidad (constantes de acoplamiento) y por las partículas “transportadoras” de las mismas (partículas de spin=1 0 bosones de gauge) . Todas ellas están bellamente descritas por lo que se conoce habitualmente como Modelo Estándar de las interacciones electrodébiles y fuerte. Estamos deliberadamente dejando al margen las interacciones gravitatorias que, al menos a nivel clásico, están perfectamente descritas por la Teoría de la Gravitación o Relatividad General formulada por A. Einstein en 1915 y 1916.
El Modelo Estándar nos dice que las partículas elementales, cuya interacción se detecta en particular en los grandes aceleradores como el Large Hadrón Collider (LHC) que está funcionando el el CERN (Ginebra-Suiza), no son los átomos, ni los núcleos atómicos, ni siquiera los protones y neutrones de los que están constituidos, sino los Quarks, de los que están compuestos neutrones y protones, los leptones cargados eléctricamente (partículas ligeras como los electrones que están en la corteza de los átomos o muones que aparecen en ciertas desintegraciones), los leptones neutros o neutrinos (partículas enigmáticas con una masa pequeñísima comparada con el resto del espectro) y partículas transportadoras de las interacciones como fotones (cuanto de luz) transportadores de las interacciones electromagnéticas, los bosones W+, W- y Z0 que transportan las interacciones electrodébiles y los Gluones que transportan la interacción fuerte.
Los Gluones mantienen a los Quarks confinados dentro de los nucleones (Protones y Neutrones)
Partiendo de los Quarks, se conforma el núcleo hecho de protones y neutrones. Los Quarks, confinados dentro de estos nucleones, quedan sujetos por la fuerza fuerte a través de las partículas mediadoras, los Gluones. Para formar el átomo, se necesitan electrones que, rodean el núcleo en número igual al de protones que contiene, y, como el protón está cargado eléctricamente con fuerza positiva, ésta se equilibra mediante la negativa de la misma potencia que aportan los electrones. De esta manera, el átomo queda debidamente estabilizado para poder unirse a otros para formar células que, a su vez se unen para formar moléculas que, a su vez, se juntan para formar materia.
Y pensar que todo lo que ahí podemos ver, está formado por esas partículas
Todas estas partículas de las que podemos hablar ya han sido descubiertas, mientras que la única incógnita del Modelo Estándar reside en el mecanismo por el que los fermiones elementales y ciertas partículas transportadoras de las interacciones como la W y Z adquieren masa. La Teoría de la “ruptura espontanea de simetría electrodébil” implica que tiene que existir una partícula aún no descubierta, el Bosón de Higgs, que es responsable de que las anteriores partículas, incluida ella misma, sean masivas.
¿Cómo será ese Bosón de Higgs y, de qué mecanismo se vale para dar masa a las demás partículas?
Todos hemos oido hablar hasta la saciedad de que el Bosón de Higgs debe ser descubierto por el Colisionador LHC y tal descubrimiento añadiría una buena ráfaga de luz sobre algunos enigmas, propiedades no bien conocidas de las interacciones débiles. Ahora que dicen haberlo encontrado, al menos de momento, no parece que se tengan noticias de ninguna nueva revolusión de la física. ¡Habrá que esperar!
El Modelo Estándar es pues la estructura matemática que describe las interacciones entre las partículas elementales conocidas. El Modelo Estándar, como cualquier otra teoría física, tiene que ser capaz de describir de froma correcta los datos experimentales que son los que realmente establece el veredicto último de una teoría.
En particular el Modelo Estándar ya ha sido (y está siendo) ampliamente contrastado con los datos experimentales de las colisiones de altas energías, como el Large Electrón Positrón (LEP) que estuvo funcionando en el CERN hasta el año 2000 y el Tevatrón que está en funcionamiento en el Laboratorio Fermilab (En Chicago, Illinois, USA), así como en aceleradores de baja energía.
El Tevatron, que ha sido el acelerador de partículas más potente del mundo hasta que entró en funcionamiento el LHCeuropeo, cerró el pasado 30 de de septiembre de 2011, de forma definitiva, tras 26 años de operación.
El resultado obtenido es que el acuerdo entre la teoría y los resultados experimentales es concluyente, llevándose el acuerdo hasta niveles de 0,1%. Sin embargo, a pesar de que los resultados experimentales no indiquen apenas fisuras en el Modelo Estándar existen motivaciones acuciantes para ir más allá de éste. Está claro que, el principal objetivo del Modelo está en descubrir los orígenes de la Materia, entendiendo por tal los protones y neutrones de los que estamos hechos nosotros mismos, es decir, la materia bariónica.
En este lugar, el Fermilab, se llevan a cabo proyectos de enorme importancia para conocer lo que la materia es. Y, de la misma manera que en el CERN, se realizan colisiones de haces de partículas que reproducen aquellos momentos de la creación, el big bang en miniatura para, a partir del estudio de lo que ahí pasa, poder llegar a comprender aquellos primeros momentos que aún, mantiene, algunas regiones oscuras que no dejan ver lo que allí pasó.
Los dos problemas “experimentales” más acuciantes que presenta en estos momentos el Modelo Estándar está relacionado con los dos tipos de Materia que constituyen el Universo observable. El 17% de la Materia de nuestro Universo es materia “luminosa”, es decir, materia constituida, como nosotros mismos por protones y neutrones. Por otro lado, el 83% de nuestro universo Universo está constituido por Materia Oscura (yo prefiero decir: parece que está constituido por materia invisible que llamamos oscura), es decir, materia que ha sido detectada por el momento sólo indirectamente a través de sus interacciones gravitacionales.
Debajo de la siguiente imagen nos dicen:
“De nuevo el Modelo Estándar requiere de una extensión para poder incluir candidatos a Materia Oscura.”
Esto lo dicen sin saber, a ciencia cierta, si la tal “materia oscura” existe, ya que nos dicen que es transparente, que no genera radiación, que sí genera Gravedad, que no se saber que qué partículas estaría conformada… ¡Qué no tienen ni idea! Sin embargo, no dejan de darnos la matraca con la dichosa materia.
Debajo de imágenes como esta, nos han dicho: “Las galaxias están sumergidas en un océano de materia oscura.”
Muchas son las noticias que saltan a los medios y que son emitidas por equipos que quieren llevarse el galardón del hallazgo de la M. O. Veamos por ejemplo uno de ellos:
24 OCTUBRE 2010. Un teórico del Fermilab y sus colegas de la Universidad de Nueva York podrían haber encontrado pistas sobre algunos de los más jugosos secretos del universo en el centro de la Vía Láctea. La materia oscura. En su análisis de los datos públicos de los rayos gamma del Telescopio Espacial Fermi, Dan Hooper, científico del Fermilab, y Lisa Goodenough, un estudiante graduado en la Universidad de Nueva York, informan que los rayos gamma de muy alta energía procedentes del centro de la Vía Láctea vienen de las colisiones de materia oscura.
“Salimos de nuestra manera de considerar todas las causas de los fondos que imitan la señal, y no se encontraron otras fuentes plausibles en astrofísica o la mecánica que se puede producir una señal como ésta”, dijo Hooper.
No son pocos los que quieren tener su minuto de gloria y hacen declaraciones y afirmaciones que nunca se confirman
Un reciente trabajo, publicado en el servidor repositorio científico arXiv-pre, describe sus hallazgos. Los astrofísicos desde hace mucho tiempo postulan una amplia gama de partículas de materia oscura, incluyendo los axiones, las partículas súper pesadas y partículas que se encuentran entre: débilmente partículas masivas de interacción, o WIMPs.
La partícula de la que está hecha la “materia oscura” ¿Cómo será? Si es que existe de verdad
Ahora nos dicen que el LHC se prepara para poder buscar la “materia oscura” y, que yo sepa, el Bosón de Higgs (aunque digan lo contrario) no se ha encontrado. Al parecer han localizado una partícula que tiene todos los atributos para poder ser el Higgs pero… ¿Será él?
Claro que, la realidad es tozuda, y, nadie puede decirnos qué es la dichosa y teórica “materia oscura” de qué está hecha, cómo se formó, de qué mecanismos se vale para pasar inadvertida sin emitir radiaciones que podamos detectar, y, un sin fin de cuestiones que la hace extraña y muy exótica, hasta el punto de que podamos pensar que está y no está en este mundo. ¿No estará escondida en eso que llamamos vacío y, las partículas portadoras de la Fuerza Gravitatoria, el Gravitón, nos trae a nuestra parte del “mundo” la Gravedad que genera y que es, la que detectan los cosmólogos cuando ven que las galaxias se alejan las unas de las otras a más velocidad de la que tendrían que hacerlo si sólo existiera la materia bariónica que podemos observar?
Hablamos de los posibles candidatos a materia oscura, aquí la situación es incluso más complicada puesto que candidatos a materia oscura no han sido detectados por experimentos de física de partículas con lo que (como antes decía) su misma naturaleza nos es desconocida. Para completar el relato cabe decir que experimentos astrofísicos, en particular detección de supernovas, indican que el total de la materia anteriormente descrita (o sea luminosa y oscura) constituyen tan sólo el 28% de la densidad de energía del universo observable mientras que el resto es una energía no detectable mediante experimentos de Física de Partículas y que se conoce con el nombre de energía Oscura, que puede ser simplemente una Constante Cosmológica.
Einstein se burla de nosotros como si supiera (el muy ladino) que él llevaba razón, y, la Constante Cosmológica está ahí, presente en el Universo. La verdad es que, nos trae de cabeza, el no saber detectar dónde está la verdad para saber el camino a tomar en el futuro.
Así que, finalmente podemos concluir que el 4,6% es la materia bariónica (Supercúmulos de Galaxias, Nebulosas, Mundos, y demás cuerpos observables .-también nosotros-) y, el 17% de la densidad de materia del universo podría ser la llamada “materia oscura” . Aún cuando la proporción sea minoritaria para la Bariónica, para nosotros es prioritaria, de ella estamos hecho nosotros mismos y que, por supuesto, es la única materia que podemos detectar de forma directa, conocemos (las partículas que la conforman) sus secretos, sus parámetros físicos, sus masas y cargas, sus funciones dentro del contexto general y, en definitiva es la materia que está tan cerca de nosotros que, nosotros mismos somos ella.
También los pilares básicos de nuestro propio ser, son Quark y Leptones, es decir, materia bariónica. Así que, si los observadores del Universo (nosotros) somos de materia radiante y luminosa, no creo que esa “materia oscura” tenga más importancia que aquella de la que nosotros estamos formados. Más bien creo que, existe alguna fuerza (llámese constante cosmológica o de cualquier otra forma) desconocida que, se confunde con esa clase de materia. Materia, lo que se dice materia, por mí, sólo existe la que podemos ver y detectar.
Dos son los problemas esenciales que deben ser entendidos en relación con el número bariónico del Universo:
– El primero es que no hay prácticamente evidencia de antimateria en el Universo. De hecho no hay antimateria en nuestro Sistema solar y solamente aparecen antiprotones en los rayos cósmicos. Sin embargo, los antiprotones se pueden producir como producto secundarios en colisiones del tipo pp → 3p + p (en esta última p debería aparecer una rayita horizontal encima (antiprotón) pero, en mi cuadro de caracteres especiales no lo tengo) que proporcionan una abundancia de antiprotones semejante a la observada.
Así por ejemplo, resulta que se detecta un antiprotón aproximadamente por cada 3000 protones mientras que se encuentra un átomo de antihelio por cada 10000 átomos de Helio. Todos estos datos experimentales están de acuerdo con la existencia de antimateria primordial en el Universo. De hecho, la no existencia de antimateria resulta esencial para la estabilidad del mismo puesto que la materia y la materia se aniquilan entre sí produciendo radiación.
Satélite WMAP
– Una vez explicado el hecho de que en la practica no hay antimateria en el Universo, el segundo problema sería entender el origen de la densidad de materia luminosa. De hecho, utilizando los datos de la abundancia primordial de elementos ligeros, de acuerdo con la teoría de la nucleosíntesis, junto con los datos del Satélite WMAP, se deduce que hay en torno a 1 protón por cada mil millones de fotones en el Universo. Siendo nB y n γ las densidades de bariones y fotones respectivamente, se tiene que η=nB/nγ ≈ 0.61 x 10-9.
Para ser un poco más preciso podríamos decir que en 5 metros cúbicos hay un sólo barión y mil millones de fotones en promedio.
Para entender mejor cuál puede ser el mecanismo que explique la generación de materia en nuestro Universo, es decir, el parámetro η que acabamos de describir, debemos retrotraernos a la época en que el universo estaba muy caliente, poco después del Big Bang. Es decir, la llamada era denominada de la Radiación. Las partículas cuya masa es (muy) inferior a la temperatura del universo se aniquilan con sus antipartículas por las reacciones inversas a las anteriores. En este momento las partículas se comportan practicamente como si fueran de masa cero y se dice que la partícula en cuestión está en equilibrio térmico con la radiación. El Modelo Estándar Cosmológico predice una relación entre la edad del Universo (en segundos) y la temperatura del mismo (en K) que viene dada por:
t ≈ 1/5 (kBT/GeV)-2 10-6
en donde kB es la constante de Boltzmann. La ecuación anterior nos dice que para una temperatura próxima al GeV (equivalente a la masa del protón, que es de unos diez billones de grados, ¡el tiempo transcurrido en el universo después del Big Bang era de unas dos diez millonésimas de segundo!
Para temperaturas inferiores a la masa de la partícula, las partículas y antipartículas siguen aniquilándose en fotones, aunque el proceso inverso no puede tener ya lugar y la densidad de equilibrio térmico de partículas y antipartículas decrece exponencialmente como exp (-m/T) en donde m es la masa de la partícula en cuestión. Este proceso se termina cuando el ritmo de aniquilación de partículas y antipartículas no puede competir con el ritmo de expansión del universo (constante de Hubble H) , momento en el que las partículas y antipartículas se salen del equilibrio térmico y su densidad queda “congelada” a los valores de equilibrio correspondientes a la temperatura de “congelación. Si aplicamos este proceso a los nucleonesprotones y neutrones) y anti-nucleones de masa ~ 1 GeV se puede ver como la densidad de los mismos empieza a disminuir exponencialmente para temperaturas inferiores al GeV, mientras que se salen de equilibrio térmico para temperaturas del orden de 20 MeV, para la cual la densidad de equilibrio resulta ser: nB/nγ=nB/nγ ≈ 10-18.
Esto nos demuestra que partiendo de un Universo simétrico, como hemos supuesto hasta el momento, hoy en día el Universo seguiría siendo simétrico respecto al número bariónico y, además, ¡el número de bariones sería mil millones más bajo que el que observamos! La solución de este problema sólo puede tener una respuesta: debemos abandonar la hipótesis de que el Universo era inicialmente simétrico respecto al número bariónico. La explicación podría seguir y es larga y algo compleja pero, por mi cuenta, resumo diciendo que, esa simetría no es posible, si tenemos en cuenta que, las partículas creadas después del Big Bang, al ser diferentes, también tenían diferentes masas y, tal hecho cierto, hace imposible que la expansión del Universo fuera isotrópica, así que, al expandirse aniso-trópicamente, la asimetría queda servida.
Sí, podríamos decir que, la asimetría del Universo es la responsable de su diversidad. No todo es igual en el Universo. Lo son todos los protones y electrones que existen, y, también, todos los neutrones, es decir, son idénticos y simétricos los objetos de la misma familia a niveles microscópicos pero, cuando nos vamos al mundo macroscópico de las galaxias, las estrellas, los mundos o, nosotros mismos, no encontramos dos iguales.
El Universo, amigos, es una maravilla.
En lo que a la tozudez de los cosmólogos en seguir agarrados a la “materia oscura”, me remito a la opinión del Premio Nobel de Física …
Martinus J. G. Veltman
“La materia oscura es la alfombra bajo la cual, los cosmólogos barren su ignorancia.”
Cuando comentan y afirman sobre su existencia, deberían decir: “El movimiento anómalo de las estrellas y las galaxias, parece debido a la presencia de una clase de misteriosa materia que no podemos ver”. Nunca afirmar lo que no se sabe.
Agradeceré aquí la mayor aportación de D. Mariano Quirós de cuyo artículo en el Volumen 25, número 4 de la Revista de Física, encontré el Origen de la materia: bario-génesis, del que pude obtener la mayor parte del texto que aquí han podido leer.
Este trabajo fue publicado en este lugar el pasado 24 de marzo
Decaimiento β– de un núcleo. Se ilustra cómo uno de los neutrones se convierte en un protón a la vez que emite un electrón(β–) y un antineutrino electrónico. La desintegración beta se debe a la interacción nuclear débil, que convierte un neutrón en un protón (desintegración β–), o viceversa (β+), y crea un par leptón–antileptón. Así se conservan los números bariónico(inicialmente 1) y leptónico (inicialmente 0). Debido a la aparente violación al principio de conservación de la energía, estas reacciones propiciaron precisamente que se propusiera la existencia del neutrino. Precisamente de eso hablamos aquí.
Una vez escenificados los conceptos, diremos que, los físicos se vieron durante mucho tiempo turbados por el hecho de que a menudo, la partícula beta emitida en una desintegración del núcleo no alberga energía suficiente para compensar la masa perdida por el núcleo. En realidad, los electrones no eran igualmente deficitarios. Emergían con un amplio espectro de energías, y el máximo (conseguido por muy pocos electrones), era casi correcto, pero todos los demás no llegaban a alcanzarlo en mayor o menor grado. Las partículas alfa emitidas por un nucleido particular poseían iguales energías en cantidades inesperadas. En ese caso, ¿Qué era errónea en la emisión de partículas beta? ¿Qué había sucedido con la energía perdida?
En 1.922, Lise Maitner se hizo por primera vez esta pregunta, y, hacia 1.930, Niels Bohr estaba dispuesto a abandonar el gran principio de conservación de la energía, al menos en lo concerniente a partículas subatómicas. En 1.931, Wolfgang Pauli sugirió una solución para el enigma de la energía desaparecida.
La radiación alfa está compuesta por un núcleo de helio y puede ser detenida por una hoja de papel. La radiación beta, compuesta por electrones, es detenida por una hoja de papel de aluminio. La radiación gamma es absorbida cuando penetra en un material denso
Digamos que la solución de Pauli para explicar la masa perdida, era muy simple: junto con la partícula beta del núcleo se desprendía otra, que se llevaba la energía desaparecida. Esa misteriosa segunda partícula tenía propiedades bastante extrañas. No poseía carga ni masa. Lo único que llevaba mientras se movía a la velocidad de la luz era cierta cantidad de energía. A decir verdad, aquello parecía un cuerpo ficticio creado exclusivamente para equilibrar el contraste de energías.
Sin embargo, tan pronto como se propuso la posibilidad de su existencia, los físicos creyeron en ella ciegamente. Y esta certeza se incrementó al descubrirse el neutrón y al saberse que se desintegraba en un protón y se liberaba un electrón, que, como en la decadencia beta, portaba insuficientes cantidades de energía. Enrico Fermi dio a esta partícula putativa el nombre de “neutrino”, palabra italiana que significa “pequeño neutro”.
Primera observación de un neutrino en una cámara de burbujas, en 1970 en el Argonne National Laboratory de EE. UU., la observación se realizo gracias a las líneas observadas en la Cámara de burbujas basada en hidrógeno líquido. Siempre hemos tenido imaginación para idear aparatos que nos ayudaran a desvelar los secretos de la Naturaleza. Más tarde, la cámara de burbujas, fue sustituida por la cámara de chispas.
El neutrón dio a los físicos otra prueba palpable de la existencia del neutrino. Como ya he comentado otras veces, casi todas las partículas describen un movimiento rotatorio. Esta rotación se expresa, más o menos, en múltiplos de una mitad según la dirección del giro. Ahora bien, el protón, el neutrón y el electrón tienen rotación de una mitad. Por tanto, si el neutrón con rotación de una mitad origina un protón y un electrón, cada uno con rotación de una mitad, ¿qué sucede con la ley sobre conservación del momento angular? Aquí hay algún error. El protón y el electrón totalizan una mitad con sus rotaciones (si ambas rotaciones siguen la misma dirección) o cero (si sus rotaciones son opuestas); pero sus rotaciones no pueden sumar jamás una mitad. Sin embargo, por otra parte, el neutrino viene a solventar la cuestión.
Supongamos que la rotación del neutrón sea +½. Y admitamos también que la rotación del protón sea +½ y la del electrón -½, para dar un resultado neto de cero. Demos ahora al neutrino una rotación de +½, y la balanza quedará equilibrada.
+½(n) = +½(p) – ½(e) + ½(neutrino)
Pero aun queda algo por equilibrar. Una sola partícula (el neutrón) ha formado dos partículas (el protón y el electrón), y, si incluimos el neutrino, tres partículas. Parece más razonable suponer que el neutrón se convierte en dos partículas y una antipartícula. En otras palabras: lo que realmente necesitamos equilibrar no es un neutrino, sino un antineutrino.
El propio neutrino surgiría de la conversación de un protón en un neutrón. Así, pues, los productos serían un neutrón (partícula), un positrón (antipartícula) y un neutrino (partícula). Esto también equilibra la balanza. En otras palabras, la existencia de neutrinos y antineutrinos debería salvar no una, sino tres, importantes leyes de conservación: la conservación de la energía, la de conservación del espín y la de conservación de partícula/antipartícula.
Para un electrón, protón o neutrón la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ).
La Constante de Planck (h) es el factor clave en la física cuántica que relaciona la energía de una partícula con su frecuencia (=ℎ), indicando que la energía viene en paquetes (cuantos) discretos, no de forma continua. Su valor aproximado es de 6.626 x 10-34) Julios segundo, un número muy pequeño que define el “salto” mínimo de energía y es esencial para entender el comportamiento de la luz y la materia a nivel atómico.
Cada partícula conocida tiene una antipartícula. Si se encuentran entre sí, se aniquilan y producen dos rayos gamma. Las energías cuánticas de los rayos gamma es igual a la suma de las energías de masas de las dos partículas (incluyendo sus energías cinéticas). También es posible que un fotón en su interacción con la materia, ceda su energía cuántica para la formación de un par de partícula-antipartícula,. La energía de masa en reposo de un electrón es 0,511 MeV, por lo que el umbral para la producción de pares electrón-positrón es de 1,02 MeV. Para las energías de rayos x t rayos gamma muy superiores a 1 MeV, esta producción de pares se convierte en una de las más importantes clases de interacciones con la materia. A energías aún más altas, se producen muchos tipos de pares partícula-antipartícula.
Es importante conservar esas leyes puesto que parece estar presentes en toda clase de reacciones nucleares que no impliquen electrones o positrones, y sería muy útil si también se hallasen presentes en reacciones que incluyesen esas partículas.
Las más importantes conversiones protón-neutrón son las relaciones con las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol y en los astros. Por consiguiente, las estrellas emiten radiaciones rápidas de neutrinos, y se calcula que tal vez pierdan a causa de esto el 6 u 8 % de su energía. Pero eso, sería meternos en otra historia y, por mi parte, con la anterior explicación solo trataba de dar una muestra del ingenio del hombre que, como habréis visto, no es poco.
Aunque sólo una cinco mil millonésima de la luz solar llega a la Tierra, ha sido suficiente para dar a esta calor y vida, así como bípedos bastante listos para calcular al detalle su deuda con el Sol que, si pusiera intereses, nunca podríamos pagar.
Desde que puedo recordar, he sido un amante de la Física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite máximo que se puede desplazar cualquier cosa en nuestro Universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa maravilla cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos. Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible.
Me gustaría que alguien contestara: ¿Qué es realmente la luz?
Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales, grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia. La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial, dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo que deberíamos profundizar un poco más y, sabiendo que la luz está formada por fiotones, que los fotones son energía, que la energía es un aspecto de la masa… ¿Qué es realmente la luz? Nosotros mismos, el última instancia ¿No seremos luz?
Está claro que los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.
Cuando la luz entra en un cristal, o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical. La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell. No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.
Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta e las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma. (Las dos refracciones en la misma dirección se originan por que los dos lados del prisma de se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso en una lámina ordinaria de cristal.)
Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada. Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta, en este orden. Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores. La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa “espectro” fantasma).
Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades.
Le surgieron y se planteó algunas inquietantes cuestiones. ¿Por qué se refractaban las partículas de luz verde más que los de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbase mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?
En 1.678, el físico neerlandés christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar los diversos difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire. La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción. Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda mas corta que la luz azul, ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.
Se encuentra la galaxias más lejana nacida después del Big Bang
Gracias a las radiaciones electromagnéticas podemos ver el Universo como fue hace ahora miles de millones de años. Cuando la luz, nos trae la imagen de galaxias situadas a distancias inconmensurables. ¿Quién podría haber pensado, en el pasado, que tal cosa fuese posible?
El ojo humano percibe los colores porque sus células fotorreceptoras (conos) son sensibles a diferentes longitudes de onda dentro del espectro visible, y el cerebro interpreta la combinación de estas señales, interpretando una longitud de onda como azul, otra como verde, y otras como variaciones de rojo, o mezclas de ellas, permitiéndonos ver un vasto abanico de tonos.
Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda. Y, como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna. (Las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades.)
Pero la teoría de Huyqhens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos; ni por qué proyectaban sobras recortadas; ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y las ondas marinas. Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿Cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las Estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?
Así que, la vieja idea de Newton de que la luz estaba formada por partículas, en contra de la teoría ondulatoria de su contemporáneo Huygens corroborada por posteriores experimentos en el siglo XIX y por la teoría electromagnética de Maxwell, volvía a ser vigente en parte. La radiación electromagnética estaba formada por paquetes de energía llamados fotones, tenía una doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular. La doble naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz, hizo pensar al físico francés Louis de Broglie que el resto de partículas podían disfrutar de esa cualidad y estableció que cualquier partícula lleva asociada una onda de longitud igual al cuanto de acción (h) dividido por su masa y por su velocidad (cualquier objeto macroscópico también tiene su onda asociada, pero debido al valor tan pequeño del cuanto de acción su efecto es despreciable). De hecho, cuando se diseña un experimento, dependiendo de las restricciones que se impongan a la partícula se pone de manifiesto su naturaleza ondulatoria o corpuscular pero, esa es, otra historia.
Hace tiempo que se saber que la luz tiene una dualidad onda-partícula, y se comporta como una onda (propagación, interferencia, difracción) y como una partícula (fotones, efecto fotoeléctrico) a la vez, una característica fundamental de la mecánica cuántica que depende de cómo la observes o interactúes con ella.
Primera foto de la luz como onda y partícula a la vez
Todo esto me lleva a pensar que lo que hace la Naturaleza para conseguir sus fines… ¡Es maravilloso!
¿En qué clase de universo estaríamos sin la presencia de la Luz?
El fotón en sí mismo es una maravilla, una partícula sin masa en reposo y que es la que consigue moverse a la mayor velocidad permitida en nuestro universo. ¿Es sólo energía? Pero, si es solo energía y la ecuación de E = mc2 nos dice que masa y energía son dos aspectos de la misma cosa, tendríamos que concluir que el fotón también es masa ¿No?
Planteada esta duda, me dicen:
“¡Excelente pregunta que toca el corazón de la física relativista! Sí un fotón es energía pura, pero la ecuación =2 se refiere a la energía en reposo. Un fotón tiene masa en reposo nula, por lo que toda su energía es cinética y no puede estar quieto; viaja a la velocidad de la luz (c) y su energía se define por su frecuencia, no por 2, aunque sí se cumple la equivalencia masa-energía, pero para el fotón es una masa que se manifiesta en movimiento, no en reposo, ¡una partícula sin masa intrínseca pero con una tremenda energía y momento!.
Todo esto puede ser fascinante, para nosotros es como viajar a otro “universo” sin salir de este.
Hace mucho tiempo que aviso sobre los serios problemas que nos traerá la (mal llamada) I. A.
La Inteligencia Artificial, dijo John McCarthy cuando acuñó el término en las conferencias de Darmouth de 1956, es: “…la ciencia e ingeniería de hacer máquinas inteligentes, especialmente programas de cómputo inteligentes.” Ese sentido no ha cambiado desde entonces. En cambio, las técnicas y aplicaciones de la Inteligencia Artificial son cada más variadas, profundas y sorprendentes. A pasos exponenciales inundarán nuestras vidas y pronto serán tan omnipresentes que apenas las percibiremos, como hoy nos sucede con la televisión, los modernos teléfonos móviles y el Internet que forman parte de nuestras vidas y, de alguna manera nos podríamos preguntar: ¿Qué haríamos sin todo esto?
Puede que vivamos en un mundo donde cada persona se conectará mentalmente con una red de ordenadores con miles de mentes pensantes también conectadas. O puede que las máquinas realicen todas las tareas para nosotros y nos permitan vivir con total lujo durante toda nuestra vida. Pero Qué ocurriría si las máquinas nos vieran como algo innecesario – o algo peor-? Si las máquinas llegan al punto donde se puedan reparar ellas mismas o incluso crear versiones mucho mejores, ¿podrían llegar a la conclusión de los humanos son simplemente una molestia? Realmente es un escenario que asusta. ¿Podría ser cierta la versión de Vinge del futuro? ¿Hay alguna manera de evitarlo?
He dado muchas vueltas a la IA y a la consciencia de los seres vivos. Las conclusiones a las que he podido llegar son que el pensamiento consciente debe involucrar componentes que no pueden ser siquiera simulados adecuadamente por una mera computación; menos aún podría la computación por sí sola, provocar cualquier sentimiento o intención consciente. En consecuencia, la mente debe ser realmente algo que no puede describirse mediante ningún tipo de términos computacionales. Sin embargo, noticias que llegan de nuevos descubrimientos te hacen dudar de hasta dónde podrán llegar esos “seres” artificiales creados por el hombre.
De todas las maneras, no dejamos de insistir y queremos llegar a conseguir poder insertar los sentimientos en esos seres artificiales que cada día creamos con mayor perfección. ¿No somos conscientes del peligro que conlleva imitar a los humanos de esa manera? Las consecuencias son impredecibles y, como tantas otras cosas, cuando queramos darnos cuenta…será tarde.
Bien es verdad que no tenemos una comprensión científica de la mente humana. Sin embargo, esto no quiere decir que el fenómeno de la consciencia deba permanecer fuera de la explicación científica. Ya se están buscando caminos científicos para dar esa explicación del misterio más profundo (seguramente) del Universo. Y, a pesar de no conocer a fondo nuestra mente, ya estamos tratando de incorporar, a mentes artificiales lo poco que de ella sabemos. ¿No será una temeridad?
El tema nos llevaría mucho, mucho tiempo, y, finalmente, unos dirán que la I.A. es progreso y otros diremos que es involución para la Humanidad a largo plazo.
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por Emilio Silvera ~
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