De este “vacío” hemos hablado aquí muchas veces

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“A la izquierda, escalones de tamaño atómico en una superficie. Imagen tomada a tan solo 0.1 grados por encima del cero absoluto con un microscopio construido íntegramente en la UAM. El color indica la altura. La diferencia de altura entre dos escalones es de tan solo unos pocos átomos. En la parte de arriba a la izquierda se observa la red atómica. Las flechas indican las direcciones cristalográficas. A la derecha, dependencia de la conductancia en función de la energía (eje y) y de la posición (eje x). La conductancia es proporcional a la función de onda cuántica. Se observan máximos de la función de onda en las posiciones marcadas por puntos blancos. Resultados obtenidos en el Laboratorio de bajas Temperaturas y Altos Campos Magnéticos del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias / Edwin Herrera.”

Una colaboración internacional en la que participan miembros de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha observado fenómenos inesperados en la superficie de un nuevo material superconductor. Los resultados, publicados en Nature, permiten a los científicos soñar con dispositivos cuánticos que transporten energía sin pérdidas o insensibles al desorden.

                                        Cuantización de electrones entrelazados

En los laboratorios, desde hace más de tres décadas, es posible obtener superficies atómicamente planas en metales sencillos. En los escalones que se pueden formar entre estas superficies,  los electrones pueden ser atrapados y son muy sensibles a cualquier cambio; por ejemplo, un escalón de tamaño atómico constituye una importante barrera para su propagación.

En física, algunas de las imágenes más espectaculares del fenómeno de la interferencia cuántica se han conseguido estudiando electrones libres en la superficie de metales sencillos y bien conocidos, como el cobre o el oro.

Ahora, una colaboración internacional liderada desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), que incluye a investigadores de Colombia, España, Francia, Japón y Suecia, ha puesto el foco en un material de fermiones pesados, el superconductor URu₂Si₂.

Las observaciones, publicadas esta semana en Nature, demuestran por primera vez el fenómeno de cuantización de electrones en fermiones pesados y, además, revelan un tipo de ordenamiento electrónico cuyo origen es totalmente desconocido.

En un peldaño entre dos escalones, los electrones casi no pueden escapar y muestran su naturaleza ondulatoria en pleno esplendor. Esto da lugar a estados cuantizados, que se caracterizan por la formación de ondas cuya distancia entre máximos varía con la energía en múltiplos enteros de un valor determinado” (ver figura), explica Hermann Suderow, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

“Hasta la fecha, estos estados solo se habían estudiado en sistemas en los que los electrones se comportan casi como si fueran partículas independientes. En los materiales cuánticos los electrones no son independientes y, como consecuencia del entrelazamiento debido a las interacciones, llevan consigo una pesada armadura.

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El misterioso orden oculto

Científicamente se habla de orden oculto para referirse a un misterioso fenómeno de ordenamiento, diferente a cualquier otro tipo de orden electrónico conocido en los sólidos (por ejemplo el magnetismo).

Como parte de los resultados, los estados cuantizados observados en la superficie del superconductor URu₂Si₂ demuestran que los electrones tienen una masa 17 veces superior a la que se encuentra en metales sencillos. Esta masa adicional, según los autores, explica el hecho de que en sus experimentos tuviera que bajarse extremadamente la temperatura para poder observar los nuevos estados cuánticos.

“Las propiedades de los nuevos estados cuánticos nos han servido para caracterizar este misterioso material. Entre otros, hemos observado fenómenos inesperados en las esquinas de los escalones que podrían estar relacionados con el orden oculto”, detalla Edwin Herrera, colaborador de la Universidad Central y de la Universidad Nacional de Colombia, e investigador posdoctoral de la UAM y primer firmante del artículo.

“Se trata de fenómenos colectivos en los que un gran número de partículas se alían para mostrar comportamientos contraintuitivos que desafían la imaginación, como el movimiento sin disipación, la cuantización de la circulación o la protección topológica.”

NOTICIAS

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Los detectores ATLAS y CMS del gran colisionador de hadrones del CERN, en la frontera franco-suiza, han registrado la producción simultánea de cuatro quarks top, la partícula elemental más pesada. Este raro proceso será estudiado más profundamente. El Instituto de Física Corpuscular ha participado en este hallazgo, considerado clave para buscar nuevas partículas más allá del modelo estándar.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro que observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado.

El estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante, ya que nuevas partículas o fuerzas podrían alterar la probabilidad de producirlos a partir de las predicciones del modelo estándar. Es una especie de ‘Santo Grial’ de la búsqueda de ‘nueva física.

La colaboración científica ATLAS, nombrada como uno de los dos grandes experimentos del LHC y en la que participan más de 5.000 investigadores y técnicos de todo el mundo, ya había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (durante el llamado periodo de funcionamiento o Run 2).

Tras cuatro años de toma de datos y cinco de análisis, este equipo científico ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis (entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network) y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond (Francia), alcance las seis sigmas, un valor de confianza estadística que confirma el hallazgo.

El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final. Con cuatro quarks top, las masas restantes suman por sí solas 700 giga-electrón-voltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en el laboratorio Fermilab (EE UU). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.

Lo cierto es que, cada día, damos un paso más hacia adelante para conocer los secretos de la Naturaleza.

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Un viaje imposible con velocidad inalcanzable, y, de conseguirla, se producirían fenómenos que, ni podemos imaginar. El cuerpo humano no podría soportar viajar a la velocidad de la luz.

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Existen inesperadas conexiones entre los cuerpos celestes y los patrones que rigen la Vida en el Planeta Tierra, No pocas de las secuencias que podemos observar, son la consecuencia directa de dichas conexiones, a las que, la mayoría de las veces, no le prestamos la menor atención.

Merece la pena examinar esos vínculos que, situados a niveles diferentes, pueden comenzar en puntos temporales subyacentes en el entorno terrestre y terminar con las respuestas  que los seres vivos, donde sólo los humanos, aprendieron a dar al reino astronómico el valor y la conexión que en todo ello tenían.

Estas respuestas (aunque a veces nos parezcan ancestrales), aún se manifiestan en nuestra organización social, y también subyacen a muchas de nuestras respuestas metafísicas y emocionales del Universo.

Hemos estado tentados a ver las estrellas como dioses, como demonios, como la mejor guía para la navez viajeras, como la profesia de la mala suerte, o, lo que es peor, como gobernantes de cada una de nuestras acciones.

Descubrimos también que hemos sido muy afortunados por el simple hecho de que, la forma de vida que representamos, vino a caer, por razones del Azar, dentro de un entorno celeste que influye significativamente en el alcance y dirección de cualquier investigación científica del Universo que, en nuestra pacífica Región, se hace totalmente posible al estar alejados de lugares turbulentos y emisiones de inmensas energías que impedirían cualquier clase de observación y estudio fiable.

Si en nuestro entorno explotaran Supernovas y estuvieran presentes Agujeros Negros masivos… ¡Las cosas serían muy diferentes para nosotros, o, incluso, no serían!

Nuestros primeros pasos preconscientes, es decir, los de nuestros ancestros primitivos a lo largo del Sendero Evolutivo, se produjeron en un mundo de alternancia diaria de la noche y el día, una crecida y bajada mensual de las mareas y una variación anual en las horas diurnas y en el clima. Todos estos cambios de escenarios dejaron su impronta sobre nosotros, los actores en el serial de la Vida.

Algunas especies, como nosotros mismos, utilizan oxígeno pero otras, para la respiración utilizan Nitrato disuelto (NO₃¯) en lugar de oxígeno, y aún otras usan iones … El Universo, como todo es cambiante y, hay que adaptarse o morir.

Algunos seres vivos pudieron sobrevivir mejor porque variaciones fortuitas les dieron ritmos corporales que reflejaban con precisión el pulso de cambios ventajosos en el entorno que pudieron ser aprovechados por ellos, tanto en las plantas como en los animales de todo tipo. Unos pudieron adaptarse y otros no.

Esos otros, sintieron directa y vivamente en su propios metabolismos aquellos cambios que los ritmos celestes imponían y a los que ellos, no se pudieron adaptar, y, de esa manera, sus especies perecieron y dejaron de existir.

El mundo está lleno de Plantas y Animales que han crecido sensibles al ciclo de la noche y el día, el cielo estacional del calor del Sol y la variación mensual de las mareas. Las mareas oceánicas provocadas por las fases de la Luna influyeron en la evolución de los crustáceos y los anfibios.

La formación de regiones con grandes diferencias entre mareas vivas y muertas, con alternancia de períodos de inmersión y períodos secos, puede haber animado la disfunción de la vida del mar a la tierra. Las condiciones cambiantes estimulan la evolución de un tipo de complejidad que lleva a la vida porque crea condiciones en las que la variación supone una diferencia en las perspectivas de supervivencia (adaptarse o morir).

Existen huellas claras de un período anual en los ciclos vitales de las plantas y de los demás seres vivos de que, han favorecido su adaptación evolutiva y han hecho posible la supervivencia  y crecimientos de las especies y sus “relojes” innatos que hace coincidir, en no pocos casos, el nacimiento de sus crías con momentos en los que la posibilidad de supervivencia es mayor, especialmente, en las regiones templadas, donde las estaciones cambian de manera más abruptas.

En la manera que hemos podido llegar a descubrir, de cómo desovan algunos y como tienen en cuenta el momento de la Luna nueva o Luna llena , y los peces desoven después de enterrar la mitad de sus cuerpos en la arena. De esta manera les da tiempo a que las mareas no puedan arrastrarlos para evitar su puesta.

Los animales sienten el cambio de las Estaciones por una respuesta a la duración de la Luz diurna. Hay ejemplos notables de la precisión de esta sensibilidad, que optimiza la fertilidad de las hembras para que coincida con el equinoccio de primavera.

Parece que la actividad de apareo se desencadena cuando la duración de la Luz diurna alcanza un valor crítico. Los experimentos muestran que pueden haber dos fases:

– Amor a la Luz

– Amor en la Oscuridad

En la primera fase, cuando la luz cae en el cuerpo estimula el crecimiento y la actividad; en la segunda fase, estas cosas se inhiben. En días largos, más luz estimula las respuestas bioquímicas más fuertes.

Pero la situación no es siempre tan sencilla. Las criaturas pueden poner a cero sus relojes internos exponiéndolos a entornos artificiales.

El día y el Año son las más simples de nuestras de nuestras divisiones temporales. La longitud del día está determinada por el Tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta alrededor de su eje. El día sería mucho más largo si la Tierra rotara más lentamente, y las variaciones diurnas no existirían en absoluto si la Tierra no tuviera rotación. En este caso, los seres vivos estarían, divididos entre tres poblaciones diferentes:

– Los que vivirían en el lado oscuro

– Los que vivirían en el lado luminoso

– Los que vivirían en la Zona Corpuscular intermedia

Está claro que hay un límite en lo que se refiere a que el día sea más corto o más largo, todo dependerá de los factores que en ello puedan intervenir. El día no podría ser mucho más corto porque hay un límite en la rápido que puede girar un cuerpo antes de que empiece a despedir a todos los objetos que estén sobre su superficie y, más tarde, a desintegrarse. De hecho, la longitud del día está alargándose muy lentamente, aproximadamente dos milésimas de segundo cada siglo, debido a la atracción de la Luna.

Seguramente, algunos de ustedes, al leer “…dos milésimas de segunda cada siglo…”, hayan podido pensar: Qué tontería, y, qué puedo eso influir en nada.

Lo cierto es que, durante los enormes períodos necesarios para un cambio Geológico o Biológico destacable, ese infinitesimal aumento adquiere una importancia vital.

El día habría sido 11 horas más corto hace ahora 2.000 millones de años, cuando vivían las antiguas bacterias fósiles conocidas y halladas en las rocas más antiguas de la Tierra en Warradona (Australia). Se han hallado pruebas directas de este cambio impresos en los seres vivos en algunas arrecifes de las Bahamas.

En el coral se depositan bandas de crecimiento anual (similares a los anillos de los árboles), y contando cuantas bandas diarias hay en cada banda anual se puede determinar cuantos ciclos diarios había en un año. El crecimiento coral contemporáneo muestra unas trescientas sesenta y cinco bandas por cada año, aproximadamente lo que se esperaba, mientras que los corales de hace 350 millones de años, muestran unos cuatrocientos anillos diarios en cada banda anual, lo que nos indica que el día era entonces de sólo 21,9 horas.

Si hacemos un viaje al pasado, para tratar de contemplar la evolución terrestre desde su formación, podríamos contemplar cómo, la Tierra joven podría haber tenido días de tan sólo 6 horas. Así pués, si la Luna no existiera nuestro día sería (probablemente) de sólo un cuarto de su longitud actual. Esto también hubiera tenido consecuencias para el campo magnético de la Tierra. Con un día de sólo 6 horas, la rotación más rápida de partículas cargadas dentro del planeta produciría un campo terrestre tres veces más intenso que el actual.

La sensibilidad magnética sería una adaptación más económica  para los seres vivos de un mundo semejante. Sin embargo, los efectos ambientales de más largo alcance de un día más corto serían seguidos de vientos más fuertes, mucho más fuertes que azotarían que azotarían la superficie en rotación del planeta.

El grado de erosión por el viento y las olas sería muy grande. Habría presión selectiva hacia árboles más pequeños y para que las plantas desarrollaran hojas más pequeñas y más fuertes que fueran menos susceptibles de ser arrancadas. Esto podría alterar el curso de la evolución  de la atmósfera terrestres al retrasar la conversión de su primitiva atmósfera de dióxido de Carbono en Oxígeno por acción de la Fotosíntesis.

El año está determinado por el Tiempo que tarda la Tierra en completar una órbita alrededor del Sol. Este período de Tiempo no es en modo alguno aleatorio. Las temperaturas y emisiones de energía de las estrellas estables están fijadas por las intensidades invariantes de las fuerzas de la naturaleza.

En un planeta sólo puede haber una actividad Biológica si su temperatura superficial no es extrema. Demasiado calor y las moléculas se fríen; demasiado frío, y se congelan; pero en medio, hay un rango de temperaturas en el que pueden multiplicarse y crecer en complejidad los seres vivos.

Existe un estrecho rango dentro del cual el agua puede mantenerse líquida y ese estado es el óptimo para la evolución espontánea de la vida. El agua ofrece un ambiente maravilloso para la evolución de la Química compleja porque aumenta tanto la movilidad como la acumulación de grandes concentraciones de moléculas que se pueden transformar en estructuras complejas.

Estas limitaciones a las temperaturas garantizan a los seres vivos que su biología les exige estar situados en planetas que no estén demasiado cerca de su estrella madre, ni tampoco, demasiado lejos de su luz y su calor. Es lo que llamamos estar situados en la Zona habitable de una estrella para que, en los planetas allí situados, la vida pueda florecer.

Otra cuestión importe es que, esos planetas, tengan órbitas casi circulares, si queremos que dichos planetas permanezcan en esa Zona habitable, ya que, si la órbita es elíptica se saldría de ella y, la vida, tendría muchos problemas para poder mantenerse estable.

Esta animación muestra algunas órbitas elípticas con diferentes excentricidades. Así mismo, muestra cómo está el Sol durante el foco de una elipse, y algo de la matemática que hay tras las órbitas elípticas. Animación de Randy Russell (miembro del equipo de Ventanas al Universo).

Las órbitas elípticas llevarían al planeta a puntos con diferentes distancias y temperaturas con lo cual, la vida tendría muchos problemas para poder resistir cambios tan drásticos que, por lo general, serían mortales para los seres vivos de aquel planeta.

La Tierra en su deambular alrededor del Sol, describe una órbita elíptica pero, poco pronunciada. Su máxima distancia del Sol es de 1,017 veces la distancia media, y su mínima distancia es sólo de 0,983 veces la distancia media que sería la de 1 UA.

Como veréis, la ligera variación hace de la órbita “casi” un círculo perfecto y la variación anuela es aproximadamente de un 7% en el flujo de energía que la superficie de la Tierra recibe del Sol. La cercanía de la órbita de la Tierra a un círculo, tiene una importancia evidente.

La regularidad de la Tierra que viene dada por la intensidad de energía que nos envía el Sol, desde 150 millones de kilómetros, y, la intensidad está amortiguada por la rica y densa atmósfera terrestre, y, los seres vivos, tienen un escudo contra las radiaciones nosivas.

Dejémos aquí la primera parte.

En la segunda parte seguiremos hablando de la importancia que tiene la Luna para nosotros y explicaremos el por qué de las Estaciones en nuestro planeta.

La Fuente: “El Universo como Obra de Arte” JOHN D. BARROW.

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