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¿Qué será la materia?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (6)

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Estábamos muy atrasados en el conocimiento de la materia y, en los colegios, nos decían que estaba en tres estados.

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún y años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Si, sabemos ponerles etiquetas como, por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobrepasando a la emisión de partículas alfa.

¡Parece que la materia está viva!

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lepto que significa “delgado”).

             El electrón es onda y partícula

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico. No se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos masiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

thomson

Josepth John Thomson

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

(“Aunque no se trata propiamente de la imagen real de un electrón, un equipo de siete científicos suecos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Lund consiguieron captar en vídeo por primera vez el movimiento o la distribución energética de un electrón sobre una onda de luz, tras ser desprendido previamente del átomo correspondiente.

Previamente dos físicos de la Universidad Brown habían mostrado películas de electrones que se movían a través de helio líquido en el International Symposium on Quantum Fluids and Solids del 2006. Dichas imágenes, que mostraban puntos de luz que bajaban por la pantalla fueron publicadas en línea el 31 de mayo de 2007, en el Journal of Low Temperature Physics.

En el experimento que ahora nos ocupa y dada la altísima velocidad de los electrones el equipo de investigadores ha tenido que usar una nueva tecnología que genera pulsos cortos de láser de luz intensa (“Attoseconds Pulses”), habida cuenta que un attosegundo equivalente a la trillonésima parte de un segundo”.)

¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

Haga clic para mostrar el resultado de "Louis de Broglie" número 12

Louis de Broglie

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones.)

 

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: Ve, Vu y VT.

 

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/1039 de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm., de longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

 

 

El interferómetro funciona enviando un haz de luz que se separa en dos haces; éstos se envían en direcciones diferentes a unos espejos donde se reflejan de regreso, entonces los haces al combinarse presentarán interferencia.

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es 0, su carga es 0, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

Un fenómeno de gran violencia galáctica

Imagen de un agujero negro en el núcleo de una galaxia arrasando otra próxima- NASA

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones.

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.  Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, limite_planck es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10-66cm2) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven. Hace un par de días que hablamos de ello.

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas.  En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor finita.  En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10-2-10-7 pascales.  Por debajo de 10-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto.

 

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque lo hemos captado, no lo sabemos descifrar.

No puedo dejar de referirme al vaciotheta (vació θ) que, es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados.  Esto significa que el vacío theta es análogo a una fundón de Bloch en un cristal.

Se puede derivar tanto como un resultado general o bien usando técnicas de instantón.  Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido.

Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido.

emilio silvera


* Dualidad onda partícula en el comportamiento del electrón, por ejemplo.

* Teorema de Bloch: relativo a la M.C. de los Cristales, que estable que la función de ondas Ψ (π)=exp (ik’π) U (π).


  1. ¡La Materia! ¿Qué será en realidad? : Blog de Emilio Silvera V., el 24 de mayo del 2012 a las 10:22

    [...] electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, [...]

 

  1. 1
    Ramon Marquès
    el 18 de febrero del 2009 a las 20:54

    Hola amigo Emilio:
    Respecto a las ondas gravitatorias yo siempre he pensado que es posible que no tengan la partícula correspondiente, el buscado gravitón. Su fuerza, la fuerza gravitatoria de una partícula subatómica, es muy pequeña, y es posible que la onda gravitatoria no sufra el colapso de la función onda que acompaña y manifiesta a la partícula. Se está acostunbrado a correlacionar a toda onda una partícula, pero en este caso… ¿Tú qué opinas, Emilio?.
    Un cordial abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  2. 2
    emilio silvera
    el 19 de febrero del 2009 a las 8:42

    Amigo Ramón, hablando de partículas la fuerza gravitatoria es tan insignificante que, para saber si está allí presente de alguna manera… ¿de qué aparato tendríamos que disponer para medirla? Teniendo en cuenta que aún, de manera clara, no hemos sido capaces de detectar las ondas gravitatorias de los enormes agujeros negros, de una partícula…tu me dirás.

    Dices bien al mencionar que la onda gravitatoria de la partícula subatómica no sufra el colapso de la función de onda que acompaña y manifiesta a la partícula, sin embargo, en este caso la cuestión no está nada clara.

    La ecuación de Schrödinger puede ser resuelta para una partícula en un sistema dado (un electrón en un átomo, por ejemplo), entopnces, dependiendo de las condiciones en la frontera, la solución es un conjunto de funciones de onda permitidas de la partícula (autofunciones), cada una correspondiente a un nivel de energía permitido (autovalor).

    El significado físico de la función de ondas es que el cuadrado de su valor absoluto en un punto (psi), es proporcional a la probabilidad de encontrar la partícula en un pequeño elemento de volumen, dxdydz, en torno a ese punto. Para un electrón en un átomo, esto da lugar a la idea de orbitales atómicos y moleculares.

    Sin embargo, utilizar la función de onda para buscar un gravitón en una fuerza tan débil, es alto complicado, ya que, como bien dices es incluso posible que dicha partícula esté ausente de las ondas gravitatorias ¿quién puede saberlo en este momento?

    En fin amigo, es uno de los secrtetos bien guardados de la Naturaleza que hace tiempo perseguimos sin el menos exito.

    Un cordial saludo.

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 11 de marzo del 2011 a las 9:26

    ¡El Gravitón! La partícula “mediadora” de la nteracción Gravitatoria (al menos así se espera que sea, es decir, que como los otras interacciones, la gravedad también tenga su propia partícula de transmisión de la fuerza. El electromagnetismo tiene al fotón, el cuanto de luz, la interacción fuerte tiene a los Gluones, la Débil tiene a los W más, W menos y Z cero, pero aunque todos esos han sido hallados, no ha sido así con el gravitón que, escurridizo él, se resite a que lo podamos encontrar.
    La Fuerza de Gravedad, aún sineo tan importante a niveles cosmológicos, es la más débil de todas las fuerzas y, al ser su alcance infinito, ya que, el supuesto gravitón como ocurre con el fotón, tiene masa nula en reposo, su velocidad es la de la luz. Las otras tres fuerzas están específicamente centradas en un sólo objetivo y, sabemos donde mirar para hallar a sus partículas mediadoras, sin embargo, con el gravitón, la cosa es más complicada, ya que, la Gravedad está esparcida por todo el Universo, tiene que atender a muchos frentes y, ese reparto de estar en todas partes, la hace más débil y, por lo tanto, también resulta mucho más complicado localizar a su partícula mediadora, el supuesto gravitón.
    Acordaos del dolor de cabeza de Pauli cuando propuso el neutrino para justificar la masa perdida. Hasta que se verificó la existencia de tan inifinitesimal partícula, todo estaba en el aire como pasa ahora con el gravitón.
    El universo de las partículas lo rige la mecánica cuántica, y, ya sabemos lo puñetera que es, y, lo difícil que nos puede resultar, algunas veces, obtener respuestas certeras de cuestiones que nos tienen en vilo, toda vez que, de ellas, dependen Modelos hechos por el hombre que funcionan muy bien pero, si finalmente la partícula no existe, todo se irá al traste y habrá que comenzar de nuevo.
    ¡La Física! Bonito rompecabezas para tratar de construir un modelo creíble, y, sobre todo, verificable, de lo que nuestro mundo es. En los últimos 200 años, hemos podido avanzar de manera increible en este complejo campo y, ahora, podemos verificar cuestiones muy difíciles con una aproximación a la realidad de menos de la unidad de posibles fallos, y, tal logro, amigos míos, no es poco.
    La Naturaleza nunca dejará de sorprendernos y nosotros, nunca dejaremos de trabajar con tesón en busca de esas incognitas que no quieren salir a la luz cegadora del saber, sin embargo, tendrán que contar con nuestra intuición y nuestra “infinita” imaginación que, más tarde o más temprano terminará por desvelar esos secretos tan bien guardados y entonces, sí que podremos decir que, la Naturaleza somos nosotros mismos y, al ser parte de ella, ningún secreto nos puede ocultar.
    ¡Bonito sueño! Si fuera verdad.

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  4. 4
    fandila
    el 8 de agosto del 2012 a las 12:02

    El gravitón o cuanto gravitacional ha de ser semejante al fotón. La versatilidad del fotón es tal que su tamaño es tan variable como lo pueda ser su amplitud, su frecuencia y sus elongaciones, por eso se adapta “casi” a cualquier dimensión que imaginemos. Y seguirá siendo fotón. Ahora bien, ¿la energía mínima del fotón es la de Planck o existen subcuantos de h? Es decir h adaptado a dimensiones aún menores de 10^-34
    En analogía, el gravitrón no podrá ser una partícula concreta o no actuaría sobre cualquier masa por mínima que pueda ser (Y tambien sobre las ondas que presentan una masa, de movimiento). Si existe, como un cuanto gravitacional y partícula portadora, sus caracteristicas habrán de ser variables según masas u ondas a que “gravitaciona” o se quedaría largo o corto.  La dimensión másico-energética no puede imbuirse en un punto inexistencial o primario absoluto. El colapso de la función de onda significa un trastoque por la propia medición del estado en que se hace, al que “desbarata”.
    Saludos.

    Responder
    • 4.1
      emilio silvera
      el 9 de agosto del 2012 a las 5:57

      Tienen tanto sentido tus palabras que, la analogía que haces del gravitón-fotón resultaría difícil imaginarlas de otra manera. Hasta donde sabemos, así debe ser para que las cosas resulten como observamos que pasan tanto en relación al fotón como al “gravitón” que debe tener tantas caras como necesario sean y la ocasión lo requiera.
      En todo lo demás estoy de acuerdo contigo.
      Saludos amigo.

      Responder

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