martes, 21 de septiembre del 2021 Fecha
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¡Aquellos primeros momentos!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (0)

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Antes de que la imagen de arriba fuese una realidad tuvieron que pasar muchos miles de millones de años. Hasta donde sabemos y el origen más aceptado para nuestro Universo es el de una inmensa explosión proveniente de una singularidad en la que la densidad y la energía eran “infinitas” y a partir de ahí, comenzó la gran aventura. Esa es la idea que más coincide con lo que ahora podemos observar, y, precisamente por eso, el Modelo de Universo aceptado es el llamado Big Bang.

¡El Universo!

El universo primitivo, en una espectacular imagen en 3D

La primera interacción que puede ser considerada era la constante aniquilación y producción de electrones y positrones. Uno de los descubrimientos más famosos del siglo XX es la equivalencia entre la masa y la energía (E= m c2): bajo condiciones adecuadas, la energía se puede convertir en materia y viceversa. La conversión de energía en materia no se observa comúnmente en nuestro entorno porque éste es demasiado frío y no hay presión suficiente. Pero con las densidades y temperaturas que reinaban en el universo primitivo, esta conversión era el pan de cada día. Los fotones (g) se convertían en electrones (e-) y positrones (e+) (proceso conocido como producción de pares). Estos fotones no podían producir partículas más pesadas (como nucleones por ejemplo) por no poseer suficiente energía. Los electrones y positrones terminarían por colisionar con sus respectivas antipartículas y convertirse de nuevo en fotones (a lo que nos referiremos como aniquilación)

La segunda interacción fue la conversión de protones en neutrones y viceversa. Esas partículas atómicas pesadas estaban ya presentes “en el principio” y estaban continuamente transmutándose una en otra mediante las siguientes reacciones:

“En el principio”, debido a la alta densidad de energía, las colisiones entre las partículas ocurrían de forma tan rápida que las reacciones de conversión de protones en neutrones y viceversa se equilibraban de tal manera, que su número, aunque pequeño, era muy aproximadamente el mismo. Pero esa igualdad se rompió casi inmediatamente debido a que los neutrones son ligeramente más pesados que los protones. Por tanto, se necesita un poco más de energía para cambiar de un protón a un neutrón que viceversa. Al principio esto no tenía ninguna influencia porque había gran cantidad de energía en los alrededores. Pero como esta densidad de energía decrecía continuamente con la expansión, cada vez había menos energía disponible para cada colisión. Este hecho empezó a inclinar la balanza hacia la formación de protones, por lo que en número de protones empezó a ser mayor que el de neutrones y a medida que bajaba la temperatura la diferencia fue cada vez más notable.

Antes de alrededor de un minuto y cuarenta segundos desde el comienzo del tiempo,  no hay núcleos atómicos estables.  El nivel de energía en el ambiente es mayor que la energía de unión nuclear. Por consiguiente, todos los núcleos que se forman, se destruyen de rápidamente.

Alrededor de un segundo desde el comienzo del tiempo, llegamos a la época de desacoplamiento de los neutrinos.  Aunque en esa época el Universo es más denso que las orcas (y tan caliente como la explosión de una bomba de hidrógeno), ya ha empezado a parecer vacío a los neutrinos.  Puesto que los neutrinos sólo reaccionan a la fuerza débil, que tiene un alcance extremadamente corto, pueden escapar de sus garras y volar indefinidamente sin experimentar ninguna otra interacción.

Aunque parezca mentira, al día de hoy no sabemos, a ciencia cierta, como se formaron las galaxias

Así, emancipados, en lo sucesivo son libres de vagar por el Universo a su manera indiferente, volando a través de la mayor   de la materia como sino existiese. (Diez trillones de neutrinos atravesarán sin causar daños el cerebro y el cuerpo del lector en el tiempo que le lleve leer esta frase.  Y en el tiempo en que usted haya leído esta frase estarán más lejos que la Luna).

En menos de un siglo, el neutrino pasó de ser una partícula fantasma propuesta en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), a explicar el balance de energía en una forma de radioactividad,  el llamado decaimiento beta, en una sonda capaz de escrutar el interior de estrellas y de la propia Tierra.

Estas imágenes obtenidas por el instrumento SPIRE del telescopio espacial Herschel muestran algunos de los objetos más representativos de la población de 234 candidatos a protocúmulos galácticos recientemente descubiertos. Los contornos en amarillo representan variaciones en la densidad de las galaxias. Créditos: ESA / Colaboración Planck / H. Dole, D. Guéry y G. Hurier, IAS/Universidad de París Sud/CNRS/CNES.

   Protocúmulos galácticos en el universo primitivo captados por los telescopios Planck y Herschel

De esa manera, oleadas de neutrinos liberados en un segundo después del big bang persiste aún después, formando una radiación cósmica de fondo de neutrinos semejante a la radiación de fondo de microondas producida por el desacoplamiento de los fotones.

Si estos neutrinos “cósmicos” (como se los llama para diferenciarlos de los neutrinos liberados más tarde por las supernovas) pudiesen ser observador por un telescopio de neutrinos de alguna clase, proporcionarían una visión directa del Universo cuando sólo tenía un segundo.

A medida que retrocedemos en el tiempo, el Universo se vuelve más denso y más caliente, y el nivel de  estructura que puede existir se hace cada vez más rudimentario.

Por supuesto, en ese tiempo, no hay moléculas, ni átomos, ni núcleos atómicos, y, a 10-6 (0.000001) de segundo después del comienzo del tiempo, tampoco hay neutrones ni protones.  El Universo es un océano de quarks libres y otras partículas elementales.

Si nos tomamos el de contarlos, hallaremos que por cada mil millones de antiquarks existen mil millones y un quark.  asimetría es importante.  Los pocos quarks en exceso destinados a sobrevivir a la aniquilación general quark-antiquark formaran todos los átomos de materia del Universo del último día.  Se desconoce el origen de la desigualdad; presumiblemente obedezca a la ruptura de una simetría materia antimateria en alguna etapa anterior.

Nos aproximamos a un tiempo en que las estructuras básicas de las leyes naturales, y no sólo las de las partículas y campos cuya conducta dictaban, cambiaron a medida que evolucionó el Universo.

La primera transición semejante se produjo en los 10-11 de segundo después del comienzo del tiempo, cuando las funciones de las fuerzas débiles y electromagnéticas se regían por una sola fuerza, la electrodébil.  hay bastante energía ambiente para permitir la creación y el mantenimiento de gran de bosones w y z.

Estas partículas – las mismas cuya aparición en el acelerador del CERN verificó la teoría electrodébil – son las mediadoras intercambiables en las interacciones de fuerzas electromagnéticas y débiles, lo que las hace indistinguibles.  En ese tiempo, el Universo está gobernando sólo por tres fuerzas: la gravedad, la interacción nuclear fuerte y la electrodébil.

Más atrás de ese tiempo nos quedamos en el misterio y envueltos en una gran nebulosa de ignorancia.  Cada uno se despacha a su gusto para lanzar conjeturas y teorizar sobre lo que pudo haber sido.   Seguramente, en el futuro, será la teoría M (de supercuerdas) la que contestará esas preguntas sin respuestas ahora.

En los 10-35 de segundo desde el comienzo del tiempo, entramos en un ámbito en el que las cósmicas son aún menos conocidas.  Si las grandes teorías unificadas son correctas, se produjo una ruptura de la simetría por la que la fuerza electronuclear unificada se escindió en las fuerzas electrodébil y las fuertes.  Si es correcta la teoría de la supersimetría, la transición puede haberse producido antes, había involucrado a la gravitación.

En el universo temprano la primera materia (hidrógeno y Helio) era llevada por la fuerza de gravedad a conformarse en grandes conglomerados de gas y polvo que interacioban, producían calor y formaron las primeras estrellas.

Elaborar una teoría totalmente unificada es tratar de comprender lo que ocurrió en ese tiempo remoto que, según los últimos estudios está situado entre 15.000 y 18.000 millones de años, cunado la perfecta simetría que, se pensaba, caracterizó el Universo, se hizo añicos para dar lugar a los simetrías rotas que hallamos a nuestro alrededor y que, nos trajo las fuerzas y constantes Universales que, paradójicamente, hicieron posible nuestra aparición para que , sea posible que, alguien como yo esté contando lo que pasó.

Pero hasta que no tengamos tal teoría no podemos esperar comprender lo que realmente ocurrió en ese Universo bebé.  Los límites de nuestras conjeturas actuales cuando la edad del Universo sólo es de 10-43 de segundo, nos da la única respuesta de encontrarnos ante una puerta cerrada.

Del otro lado de esa puerta está la época de Plank, un tiempo en que la atracción gravitatoria ejercida por cada partícula era comparable en intensidad a la fuerza nuclear fuerte.

Atomos-y-electricidad-7.jpg

La fuerza nuclear fuerte hizo posible la existencia de los núcleos que atraían electrones para formar átomos

Así que, llegados a este punto podemos decir que la clave teórica que podría abrir esa puerta sería una teoría unificada que incluyese la gravitación, es decir, una teoría cuántica-gravitatoria que uniese, de una vez por todas, a Planck y Einsteins que, aunque eran muy amigos, no parecen que sus teorías (la Mecánica Cuántica) y (la Relatividad General) se lleven de maravilla.

emilio silvera

La Física sigue su camino hacia el futuro

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La física en la vida cotidiana    ~    Comentarios Comments (0)

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Acelerando, que es gerundio

Los aceleradores de partículas están poniendo de nuevo patas arriba lo que sabemos de física y, por tanto, del origen del Universo

 

Este primer tercio del siglo XXI se está pareciendo en Física al primer tercio del siglo XX. Las numerosas figuras de la época, con Einstein como icono principal a la cabeza, estaban en plena ebullición intelectual y publicando teorías que, literalmente, lo pusieron todo patas arriba. Hoy estamos ante un panorama parecido en el que las grandes máquinas, los aceleradores de partículas, están poniendo de nuevo patas arriba lo que sabemos de física y, por tanto, del origen del Universo. Y, como entonces, las noticias sobre Física ocupan portadas de periódicos y, esto es nuevo, se extienden por las redes a la velocidad de la luz.

Resultado de imagen de Descubierto el Bosón de Higgs

Tras el impacto que supuso el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, el 4 de julio del 2012 (el viernres hizo dos años), la atención mundial se volvió hacia la Física y, en concreto a los físicos de partículas. Provistos de un lápiz y un papel, y de su cabeza prodigiosa Robert Brout, François Englert y Peter Higgs describieron en 1964 un mecanismo que incluía una partícula, que acabó llamándose con el nombre del último de ellos, que debía cumplir determinadas condiciones. Y que era fundamental para sostener el edificio de lo que se llama el Modelo Estándar, es decir, la física que explica el origen del universo y que se deriva de la explosión inicial, el Big Bang que tuvo lugar hace 13.800 millones de años.

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Cincuenta años y muchos millones de inversión después, esa partícula apareció en el experimento que se anunció hace dos años. Y, parece, estaba justo donde la teoría había predicho que iba a estar, es decir, supone un respaldo muy notable al Modelo, puesto que la capacidad de predicción, y la comprobación de esas predicciones es, precisamente, lo que dota de solidez a las teorías. Y, además del bosón, los neutrinos superlumínicos (aunque luego se demostró que era un error, y la propia confirmación del error fue noticia relevante) y muy recientemente, y sin honores de portada, la presunta y aún controvertida detección de ondas gravitatorias procedentes del Big Bang, siguen colocando a la física de partículas en la lista de intereses de la sociedad.

Resultado de imagen de Físicos españoles en el CERN

La física gallega Mar Capeans, en el experimento ATLAS.

 La participación española en estos avances ha ido incrementándose a los largo del siglo pasado y en los primeros años de este. De la casi testimonial presencia de algunos físicos notables en los años 20, hemos pasado a tener el peso que nos corresponde, tanto en la financiación del CERN como en la presencia de investigadores españoles en ese laboratorio, la máquina que nos está permitiendo comprobar la veracidad de las teorías. Ese presencia ha pasado por altos y bajos, en función del interés de los políticos del momento y de los problemas de financiación, pero hoy está bastante consolidada y de ninguna manera debería volverse atrás.

Resultado de imagen de la 37ª Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, ICHEP 2014

La ciudad de Valencia fue designada para albergar en la 37º Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2014), el mayor evento mundial de este tipo y allí estuvio la crema de la física mundial.

 Precisamente, y como espaldarazo a esa comunidad española de físicos de partículas, este año, en Valencia, se han dado cita un millar de físicos de partículas, quizá los más relevantes del mundo, para poner en común sus últimas investigaciones en estos apasionantes campos. Se trata de la 37ª Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, ICHEP 2014, que se celebra del 2 al 9 de julio en esta capital.

Resultado de imagen de Profundizando en las entrañas de la materia en el LHC

Sabemos que nos estamos adentrando en un territorio nuevo, que estamos viendo lo que nunca nadie vio, que estamos dando pasos, más grandes o más pequeños, para conocer con precisión de qué materia esta hecho todo, incluso el sueño del conocimiento. Y aquí, en Valencia, esos investigadores intentan poner todo ello en común. Y, también, sentarán las bases de hacia donde se dirigirán las miradas en los próximos años, porque aquí, en esta reunión, se va a debatir cómo serán las máquinas del futuro, los grandes aceleradores por venir, de hasta 100 kilómetros de longitud. Es decir, aquí se diseñarán las ventanas que determinarán el conocimiento en las próximas décadas.

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La Física está presente en muchos sectores de la vida cotidiana

Y, como es natural, hay quien se preguntará que para qué sirve todo esto. Hay muchas maneras de argumentar a favor de la inversión en ciencia –ojo, inversión, no gasto- pero voy a citar aquí sólo una, la que, en la inauguración de este congreso trajo a colación Adolfo de Azcárraga, presidente de la Real Sociedad Española de Física. Según un reciente estudio de la European Physical Society “por cada euro invertido en la industria más relacionada con la física se generan 2,4 euros en actividad económica y por cada puesto de trabajo en el sector de la física se crean 2,8 empleos en los demás sectores de la economía”. Podríamos recordar también la vieja anécdota de Faraday y el primer ministro Gladstone, en los albores de la electricidad: “¿para qué sirve esto?” preguntó el político; “ya verá cuando su señoría pueda gravarlo con impuestos” respondió el físico.

Resultado de imagen de Avances de la física en la vida cotidiana

 Pero, como también recordó Azcárraga, “más allá de la importancia que la física tiene por sí misma, realiza una importante contribución al bienestar de la sociedad”. El mundo tal y como funciona hoy, cimentado sobre la electricidad de Faraday, basa buena parte de su comodidad en los hallazgos de la física, desde los teléfonos móviles a los GPS, desde las neveras a los aviones. Y es preciso, además, poner ese conocimiento en común, en primer lugar porque la ciencia hoy es comunicación o no existe, pero también porque debe serlo no sólo entre los científicos sino entre los científicos y la sociedad. Tal y como dijo Bertrand Russell: “la ignorancia total del mundo científico no es compatible con la supervivencia de la humanidad”.