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De lo pequeño a lo grande

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Relativista    ~    Comentarios Comments (2)

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Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10-7º K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

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Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de ésta teoría en vez de las de la mecánica clásica.  En estadística cuantica, los estados de energía se considera que están cuantizados.  La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son los bosones que, tienden a juntarse.

         Los bosones tienen un momento angular n h / 2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck.  Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

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La mejor teoría para explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y unos ajustes ad-hoc, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas.

 

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística. En un espacio de dos dimensiones es posible que existan partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones.  Estas partículas se conocen con el nombre de aiones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de+1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1.  Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Resulta  fácil comprender cómo  forma un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E = mc2), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es materia. La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla).

Sea como fuere, la rotación del neutrón nos da la respuesta a esas preguntas:

           La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965

¿Qué es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo. En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos. Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la antimateria, de la misma forma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un antideuterón. Desde entonces se ha producido el antihelio 3, y no cabe duda de que se podría crear otros antinúcleos más complicados aún si se abordara el problema con más interés.

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el universo? Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro. Así pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, para tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

Pero…, ¿Hay masas de antimateria en el Universo? ¿Galaxias de antimateria?

 

 

Bueno, sabemos que no son las galaxias las que se alejan, sino que es el espacio el que se expande. Lo que no sabemos es encontrar antimateria en el espacio interestelar y, si la hay y está presente… ¡Aún no la hemos podido localizar! Algunos dicen que hay galaxias de antimateria y, yo digo que tengo un pariente en la galaxia Astrinia del cúmulo Ultramón a diez mil millones de años-luz de nuestra región.

         No parece que dichas observaciones, al menos hasta el momento, hayan sido un éxito.

 

 

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Cosmological_composition.jpg

 

 

Según estimaciones recientes, resumidas en este gráfico de la NASA, alrededor del 70% del contenido energético del Universo consiste en energía oscura, cuya presencia se infiere en su efecto sobre la expansión del Universo pero sobre cuya naturaleza última no se sabe casi nada.

         ¿Es posible que el Universo este formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaria la otra, y el Universo debería estar compuesta de iguales cantidades de la una y de la otra.

         Este es el dilema.  La teoría nos dice que debería haber allí antimateria, pero las observaciones lo niegan, no lo respaldan. ¿Es la observación la que falla? ¿Y qué ocurre con los núcleos de las galaxias activas, e incluso más aún, con los causares? ¿Deberían ser estos fenómenos energéticos el resultado de una aniquilación materia-antimateria? ¡No creo! Ni siquiera ese aniquilamiento parece ser suficiente, y los astrónomos prefieren aceptar la noción de colapso gravitatorio y fenómenos de agujeros negros como el único mecanismo conocido para producir la energía requerida.

      Estábamos hablando de mecánica cuántica y me pasé, sin que me diera cuenta, al ámbirto de la antimateria y el espacio del macro universo de las galaxias. Sin embargo, y aunque parezcan temas dispares, lo cierto es que, a medida que profundizamos en estas cuestiones, todas nos llevan, de una u otra manera,  a relacionar el “mundo de lo muy pequeño” con el “mundo” de lo muy grande que, al fín y al cabo, está hecho de lo que existe en el primero, es decir, partículas infinitesimales de materia y… ¡de antimateria! para que todo quede compensado.

emilio silvera


  1. ¿Que es el principio de exclusión de Pauli? : Blog de Emilio Silvera V., el 21 de febrero del 2014 a las 5:46

    [...] combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario [...]

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 18 de febrero del 2014 a las 10:21

    El Universo esconde secretos que tratamos de desvelar. Las fuerzas de la Naturaleza son cuatro conocidas y, ¿habrá alguna escondida de la que no hemos sabido todavía dar cuenta?, es cierto que la materia que conocemos, la bariónica, la que produce luz y emite radiación, es la que conforma todos los objetos que pueblan el Universo desde los átomos a las galaxias. Sin embargo, no podemos descartar que pueda existir otra clase de “materia” o “sustancia cósmica” que, de alguna manera, haya tenido un importante papel en la constitución de las galaxias y, de la misma manera, pueda ser también, la responsable de esa especie de “Océanos de Higgs” que imaginamos que permea todo el espacio, como aquel antiguo éter luminífero de los antiguos griegos.
    Como nuestra ignorancia es grande, estamos abocados a tener que conquistar de manera paulatina y lenta, esos nuevos conocimientos que nos permitan poder hablar, con suficiente garantía científica, de cuestiones que ahora, simplemente podemos intuir y, aunque las mencionamos en muchas ocasiones, les ponemos incluso nombre y, trazamos modelos de cómo podrían ser, lo cierto es que, no estamos seguros y es nuestra intuición y sospecha la que nos guía más que el conocimiento verdadero.
    Muchos son los enigmas que la Ciencia se encuentra en su camino y, al querer desvelar lo que nos quieren decir, aprendemos nuevas cuestiones, adquirimos conocimientos nuevos que nos posibilitan para hacer nuevas preguntas que, sin aquellos, no podíamos plantear. Así, cada nuevo conocimiento es como una llave para seguir tratando de saber.
    No dominamos muchas de las parcelas que en la Naturaleza permanecen en la más completa oscuridad y, sin embargo, somos tan osados que tratamos, a pesar de ello, de formular una “Teoría del Todo”, en la que podamos encontrar las respuestas a cualquier pregunta que podamos plantear. El paradigma actual de la Ciencia, no nos permite abarcar tanto como pudiéramos creer, son muchas más las cosas que existen en la Naturaleza que las que la misma Ciencia nos explica y, siendo así (que lo es), no podemos decir que sabemos.
    Es cierto que hemos llegado a desentrañar cuestiones dignas de elogio y que tienen un mérito descomunal. Si comparamos de dónde venimos, el tiempo que hace que estamos aquí y los miles de años que hemos estado evolucionando, como mujeres y hombres verdaderos, conscientes de Ser y de nuestro entorno, entonces, sí podremos decir que hemos podido saber que el Universo como un todo manifiesta correlaciones bien definidas que desafían cualquier explicación que el sentido común quisiera dar de ello.
    Si nos detenemos un momento, podemos observar que existen correlaciones directas asombrosas, al nivel de la cuántica, por ejemplo: Cada partícula que haya ocupado alguna vez el mismo nivel cuántico de otra partícula permanece relacionada con ella, de una manera misteriosa no-energética.
    Aunque parezcan cuestiones distintas, la teoría de la evolución darwiniana y la biología cuántica nos descubren enigmáticas correlaciones similares en el organismo y entre el organismo y su entorno. Todas esas correlaciones que salen a la luz en las más avanzadas y modernas investigaciones sobre la Conciencia (por ejemplo), son igualmente extrañas: Tienen la forma de conexiones transpersonales entre la conciencia de una persona y el cuerpo de otra.
    Así, cuando repasamos estos enigmas respecto a las conexiones y sus correlaciones que constituyen un Cosmos evolutivo coherente, podemos llegar a una conclusión asombrosa: ¡Todo, en el Universo, parece estar, de una u otra manera, conexionado! Es decir, nada es como lo podemos observar porque sí, sino que, existen fuerzas y energías que permiten esas correlaciones entre partículas y también, entre organismos vivos y su entorno natural.
    Hay cosas que no sabemos explicar.

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