Presentado en la XIX Edición del

Siempre andamos a vueltas con las teorías, y, tenemos que ser conscientes que las teorías tienen unos límites que están bien determinados. Veamos:

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuales son.

Y precisamente esta constante es el segundo motivo por el que no encuentras los muebles en una posición diferente cada vez que entras en el salón.

Supongamos que tomamos toda la masa del universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica. Podemos preguntarnos en qué momento esta longitud de onda cuántica del universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33 centímetros, más joven que el tiempo de Planck 10ˉ⁴³ segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales. Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad. Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck. Las constantes de la naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

La Gravedad Cuántica, el eslabón perdido para comprender la evolución del Universo. Los físicos teóricos la han encontrado, ellos saben que dicha teoría subyace en la Teoría de Supercuerdas que, desgraciadamente, es inverificable… ¡Por el momento! Se cree que llegar hasta las cuerdas requeriría disponer de la energía de Planck (10¹⁹ GeV).

En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck. Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el universo. Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.

La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes. Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1.965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses. En 1975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses. Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

      Representación gráfica de la obtención experimental de la constante de Planck

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza. En 1981, el físico israelí, Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen. Esto no debería sorprendernos. Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen. El número máximo de bits de información que puede almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de Planck. Supongamos que la región es esférica. Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado, 10^-66 cm².  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora. Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

No debemos descartar la posibilidad de que seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que recree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias. Todas las estructuras del universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras; la atracción y la repulsión. Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla; así, el resultado es la estabilidad de la estrella. En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos. Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_protón.

En nuestro Universo todo es energía y el resultado de dos fuerzas contrapuestas que, al ser iguales en potencia, equilibran el todo y hace posible la estabilidad que podemos contemplar en las estrellas y en los átomos.

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro. Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales. Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas no se puede llegar a saber, porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los …

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137. Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender; me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías. Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”. El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza sólo por la observación y la experimentación. Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

Para poner un ejemplo de nuestra ignorancia poco tendríamos que buscar, tenemos a mano miles de millones.

Hablamos de portales cuánticos, fluctuaciones de vacío… Cuerdas y de Taquiones pero…

Un gran Físico nos decía:

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben. En el cartel sólo pondría esto: 137. Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”.

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba. La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón, por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck. Tanta palabrería y numerología no significan otra cosa sino que ese solo numero, 137, encierra los misterios del electromagnetismo (el electrón, e^–), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y la teoría cuántica (la constante de Planck, h).

¡Sabemos aun tan poco!

emilio silvera

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Ya hemos descrito en trabajos anteriores las dos familias de partículas elementales: Quarks y Leptones. Pero hasta ahí, no se limita la sociedad del “universo” infinitesimal. Existen además las anti-familias. A quarks y electrones se asocian, por ejemplo, anti-quarks y anti-electrones. A cada partícula, una anti-partícula.

Uno de los primeros éxitos de la teoría relativista del campo cuántico fue la predicción de las anti-partículas: nuevos cuantos que eran la imagen especular de las partículas ordinarias. Las anti-partículas tienen la misma masa y el mismo spin que sus compañeras las partículas ordinarias, pero cargas inversas. La anti-partícula del electrón es el positrón, y tiene, por tanto, carga eléctrica opuesta a la del electrón. Si electrones y positrones se colocan juntos, se aniquilan, liberando la energía inmensa de su masa según la equivalencia masa-energía einsteniana.

¿Cómo predijeron los físicos la existencia de anti-partículas? Bueno, por la «interpretación estadística» implicaba que la intensidad de un campo determinaba la probabilidad de hallar sus partículas correspondientes. Así pues, podemos imaginar un campo en un punto del espacio describiendo la creación o aniquilación de sus partículas cuánticas con una probabilidad concreta. Si esta descripción matemática de la creación y aniquilación de partículas cuánticas se inserta en el marco de la teoría relativista del campo cuántico, no podemos contar con la posibilidad de crear una partícula cuántica sin tener también la de crear un nuevo género de partícula: su anti-partícula. La existencia de anti-materia es imprescindible para una descripción matemáticamente coherente del proceso de creación y aniquilación según la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.

La misteriosa sustancia conocida como “materia oscura” puede ser en realidad una ilusión, creada por la interacción gravitacional entre partículas de corta vida de materia y anti-materia. Un mar hirviente de partículas en el espacio puede crear la gravedad repulsiva.

Puede ser posible que las cargas gravitacionales en el vacío cuántico podrían proporcionar una alternativa a la “materia oscura”. La idea se basa en la hipótesis de que las partículas y anti-partículas tienen cargas gravitacionales de signo opuesto. Como consecuencia, los pares de partícula-anti-partícula virtuales en el vacío cuántico y sus dipolos de forma gravitacional (una carga gravitacional positivos y negativos) pueden interactuar con la materia bariónica para producir fenómenos que se suele atribuir a la materia oscura. Fue el  físico del CERN, Dragan Slavkov Hajdukovic, quien propuso la idea, y demostró matemáticamente que estos dipolos gravitacionales podrían explicar las curvas de rotación de las galaxias observadas sin la materia oscura en su estudio inicial. Sin embargo,  señaló que quedaba mucho por hacer.

Pero sigamos con la cuántica…

El pionero en comprender que era necesario que existiesen anti-partículas fue el físico teórico Paul Dirac, que hizo varías aportaciones importantes a la nueva teoría cuántica. Fue él quien formuló la ecuación relativista que lleva hoy su nombre, y a la que obedece el campo electrónico; constituye un descubrimiento comparable al de las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell. Cuando resolvió su ecuación, Dirac se encontró con que además de describir el electrón tenía soluciones adicionales que describían otra partícula con una carga eléctrica opuesta a la del electrón. ¿Qué significaría aquello? En la época en que Dirac hizo esta observación, no se conocían más partículas con esta propiedad que el protón. Dirac, que no deseaba que las partículas conocidas proliferasen, decidió que las soluciones adicionales de su ecuación describían el protón.

Pero, tras un análisis más meticuloso, se hizo evidente que las partículas que describían las soluciones adicionales tenían que tener exactamente la misma masa que el electrón. Quedaba así descartado el protón, cuya masa es por lo menos, 1.800 veces mayor que la del electrón. Por tanto, las soluciones adicionales tenían que corresponder a una partícula completamente nueva de la misma masa que el electrón, pero de carga opuesta: ¡El anti-electrón! Esto quedó confirmado a nivel experimental en 1932 cuando Carl Anderson, físico del Instituto de Tecnología de Calífornia, detectó realmente el anti-electrón, que hoy se llama positrón.

Antes de empezar, debemos recordar que el Premio Nobel de Física de 1936 se repartió a partes iguales entre Victor Franz Hess y Carl David Anderson. Merece la pena leer la Nobel Lecture de Carl D. Anderson, “The production and properties of positrons,” December 12, 1936, quien nos explica que en esta imagen un “electrón” de 63 MeV atraviesa un placa de plomo de 6 mm y emerge con una energía de 23 MeV, pero lo hace con la curvatura “equivocada” como si fuera una partícula de carga positiva, como si fuera un protón pero con la masa de un electrón. La Nobel Lecture muestra muchas otras fotografías de positrones y electrones. Anderson afirma: “The present electron theory of Dirac provides a means of describing many of the phenomena governing the production and annihilation of positrons.”

Por otro lado, el Premio Nobel de Física de 1933 se repartió a partes iguales entre Erwin Schrödinger y Paul Adrien Maurice Dirac. También vale la pena leer la Nobel Lecture de Paul A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” December 12, 1933, aunque no cuente la historia de su descubrimiento, afirma que su ecuación predice el “antielectrón” de soslayo: ”There is one other feature of these equations which I should now like to discuss, a feature which led to the prediction of the positron.” (fuente: Francis (th)E mule Science’s News).

La aparición de las antipartículas cambió definitivamente el modo de pensar de los físicos respecto a la materia. Hasta entonces, se consideraba la materia permanente e inmutable. Podían alterarse las moléculas, podían desintegrarse los átomos en procesos radiactivos, pero los cuántos fundamentales se consideraban invariables. Sin embargo, tras el descubrimiento de la antimateria realizado por Paul Dirac hubo que abandonar tal criterio. Heisenberg lo expresaba así:

“Creo que el hecho de que Dirac haya descubierto partículas y antipartículas, ha cambiado toda nuestra visión de la física atómica… creo que, hasta entonces, todos los físicos habían concebido las partículas elementales siguiendo los criterios de la filosofía de Demócrito, es decir, considerando esas partículas elementales como unidades inalterables que se hallan en la naturaleza como algo dado y son siempre lo mismo, jamás cambian, jamás pueden transmutarse en otra cosa. No son sistemas dinámicos, simplemente existen en sí mismas. Tras el descubrimiento de Dirac, todo parecía distinto, porque uno podía preguntar: ¿por qué un protón no podría ser a veces un protón más un par electrón-positrón, etc.?… En consecuencia, el problema de la división de la materia había adquirido una dimensión distinta.”

 

Dado que la anti-materia tiene la misma masa que la materia, es decir son de la misma magnitud y signo (la definición de masa es positiva siempre), el efecto gravitacional de la anti-materia no debe ser distinto de la materia, es decir, siempre sera un efecto atractivo. Pero, ¿acaso no importa la equivalencia establecida de anti-partícula viajando al futuro = partícula viajando al pasado?

                Existe un “universo” que se nos escapa de la comprensión

La respuesta es sí. Dicha equivalencia proviene de algo llamado simetría CPT (Charge-Parity-Time), y nos dice que la equivalencia entre las partículas y anti-partículas no solo corresponde a realizar una transformación sobre la carga, sino también sobre la paridad y el tiempo. La carga no afecta la gravedad, pero la paridad y el tiempo si la afectan. En otras palabras, al modificarse el tiempo (poner el tiempo al reves) y el espacio (la paridad es “girar” el espacio), estamos alterando el espacio-tiempo, y como la teoría general de la relatividad lo afirma, es la geometría de este el que determina la gravedad.

El carácter mutable de la materia se convirtió en piedra angular de la nueva física de partículas. El hecho de que partículas y anti-partículas puedan crearse juntas a partir del vacío si se aporta energía suficiente, no sólo es importante para entender cómo se crean las partículas en aceleradores de alta energía, sino también para entender los procesos cuánticos que se produjeron en el Big Bang.

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartida cuántica. Una partícula cuántica está deslocalizada: su posición se reparte en una distribución de probabilidad. Un campo cuántico es equivalente a un colectivo de partículas cuánticas.

Como ya lo hemos expresado, el conocimiento que se obtuvo sobre la existencia de antifamilias de partículas o familias de anti-partículas es una consecuencia de la aplicación de la teoría relativista del campo cuántico, para cada partícula existe una partícula que tiene la misma masa pero cuya carga eléctrica (y otras llamadas cargas internas) son de signo opuesto. Estas son las anti-partículas. Así, al conocido electrón, con carga negativa, le corresponde un «electrón positivo» como anti-partícula, llamado positrón, descubierto en 1932. El anti-protón, descubierto en 1956, tiene la misma masa que el protón, pero carga eléctrica negativa de igual valor. El fotón, que no tiene masa ni carga eléctrica, puede ser considerada su propia anti-partícula.

Un agujero negro es un objeto que tiene tres propiedades: masa, espin y carga eléctrica. La forma del material en un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como Singularidad, de densidad infinita.

Un agujero negro tiene tres propiedades: masa, espín y carga eléctrica. La forma del material de un agujero negro no se conoce, en parte porque está oculta para el universo externo, y en parte porque, en teoría, el material continuaría colapsando hasta tener radio cero, punto conocido como singularidad, de densidad infinita.

La luz (fotones), no son una onda distinta que un electrón o protón, etc.

1°- “No se dispersan”, no son más pequeñas, como las ondas del agua (olitas) cuando tiramos una piedrita, a medida que se alejan de su centro; sino que en el caso de la luz son menos partículas, pero son siempre el mismo tipo de onda (determinada frecuencia), igual tamaño.

2°- Las ondas con más energía son más grandes, los fotones al igual que las partículas son más pequeñas, contra toda lógica (contracción de Lorentz).

3°- No necesitan de un medio material para desplazarse. Viajan en el vacío. El medio que usan para viajar, es el mismísimo espacio.

4°- Su cualidad de onda no es diferente de las partículas. Lo podemos ver en la creación de pares y la cualidad de onda de las partículas, etc. En ningún momento la partícula, es una cosa compacta (ni una pelotita), siempre es una onda, que no se expande. En la comparación con la ola, sería como un “montón” o un “pozo” de agua, con una dirección, lo que conocemos como ecuación de Schrödinger. En ningún momento la partícula, es una pelotita; la ola sobre el agua, no es un cuerpo que se mueve sobre el agua, no es un montón de agua que viene (aunque parece), sino una deformación del agua. Así la partícula, no es un montón de algo, sino una deformación del espacio.

La curvatura está relacionadas con la probabilidad de presencia, no es una bolita que está en uno de esos puntos, sino que es una onda en esa posición. El fotón es una onda que no necesita de un medio material para propagarse, se propaga por el espacio vacío. Así como una onda de sonido es una contracción-expansión del medio en que se propaga, el fotón es una contracción-expansión del espacio (del mismísimo espacio), razón por la cual entendemos que el espacio se curva, se contrae y expande. La rigidez del medio, da la velocidad de la deformación (velocidad de  la onda), en el caso de la rigidez del espacio da una velocidad “c”.Esta onda por causa de la contracción del tiempo (velocidad “c”), no se expande, sino que se mantiene como en su origen (para el observador ), como si fuese una “burbuja”, expandida o contraída, en cada parte, positiva-negativa

Cada partícula está caracterizada por un cierto número de parámetros que tienen valores bien definidos: su masa, carga eléctrica, spin o rotación interna y otros números, conocidos como cuánticos. Estos parámetros son tales que, en una reacción, su suma se mantiene y sirve para predecir el resultado. Se dice que hay conservación de los números cuánticos de las partículas. Así, son importantes el número bariónico, los diversos números leptónicos y ciertos números definidos para los quarks, como la extrañeza, color, etc. Estos últimos y sus antipartículas tienen cargas eléctricas (± 1/3 o ± 2/3) y números bariónicos (±1/3) fraccionarios. No todos los números asociados a cada partícula han sido medidos con suficiente precisión y no todas las partículas han sido detectadas en forma aislada, por lo menos de su ligamento, como el caso deloquarksy de los gluones.

Los gluones son una especie de «partículas mensajeras» que mantienen unidos a los quarks. Su nombre proviene del término inglés “glue”, que significa pegamento, en español quizás podría ser gomón. Ahora, en cuanto a los quarks, ya hicimos referencia de ellos anteriormente. Pero recordemos aquí, que fueron descubiertos en 1964 por Murray Gell-Mann, como los componentes más reducidos de la materia. Hasta entonces se pensaba que los átomos consistían simplemente en electrones rodeando un núcleo formado por protones y electrones.

En estado natural, quarks y gluones no tienen libertad. Pero si se eleva la temperatura a niveles 100.000 veces superiores, como se ha hecho en aceleradores de partículas, a la del centro del Sol, se produce el fenómeno del deconfinamiento y por un brevísimo tiempo quedan libres. En ese preciso momento aparece lo que se suele llamar plasma, «una sopa de quarks y gluones» que equivale al estado en que se podría haber encontrado la naturaleza apenas una milésima de segundo luego del Big Bang.

Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Pero por ahora aquí, nos vamos a quedar con los quarks al natural. Normalmente, los quarks no se encuentra en un estado separados, sino que en grupos de dos o tres. Asimismo, la duración de las vidas medias de las partículas, antes de decaer en otras, es muy variable (ver tablas).

Por otra parte, las partículas presentan una o más de las siguientes interacciones o fuerzas fundamentales entre ellas. Por un lado se tiene la gravitación y el electromagnetismo, conocidas de la vida cotidiana. Hay otras dos fuerzas, menos familiares, que son de tipo nuclear y se conocen como interacciones fuertes y débiles.

La gravitación afecta a todas las partículas, es una interacción universal. Todo cuerpo que tiene masa o energía está sometido a esta fuerza. Aunque es la más débil de las interacciones, como las masas son siempre positivas y su alcance es infinito, su efecto es acumulativo. Por ello, la gravitación es la fuerza más importante en cosmología.

                            Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo

La fuerza electromagnética se manifiesta entre partículas con cargas eléctricas. A diferencia de las demás, puede ser de atracción (entre cargas de signos opuestos) o de repulsión (cargas iguales). Esta fuerza es responsable de la cohesión del átomo y las moléculas. Mantiene los objetos cotidianos como entidades con forma propia. Un vaso, una piedra, un auto, el cuerpo humano. Es mucho más fuerte que la gravitación y aunque es de alcance infinito, las cargas de distinto signo se compensan y sus efectos no operan a grandes distancias. Dependiendo de las circunstancias en que actúen, estas interacciones pueden manifestarse como fuerzas eléctricas o magnéticas solamente, o como una mezcla de ambos tipos.

La Fuerza Nuclear Débil: otra fuerza nuclear, considerada mucho más débil que la Fuerza Nuclear Fuerte. El fenómeno de decaimiento aleatorio de la población de las partículas subatómicas (la radioactividad) era difícil de explicar hasta que el concepto de esta fuerza nuclear adicional fue introducido.

La interacción nuclear débil es causa de la radioactividad natural y la desintegración del neutrón. Tiene un rol capital en las reacciones de fusión del hidrógeno y otros elementos en el centro de las estrellas y del Sol. La intensidad es débil comparada con las fuerzas eléctricas y las interacciones fuertes. Su alcance es muy pequeño, sólo del orden de 10^-15 cm.

La interacción fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos atómicos. Tiene la intensidad más elevada de todas ellas, pero es también de corto alcance: del orden de 10^-13 cm. Es posible caracterizar las intensidades de las interacciones por un número de acoplamiento a, sin dimensión, lo que permite compararlas directamente:

Fuerte a_s = 15

Electromagnéticas a = 7,3 x 10^-3

Débil a_w 3,1 x 10^-12

Gravitacional a_G = 5,9 x 10^-39

Por otro lado, la mecánica cuántica considera que la interacción de dos partículas se realiza por el intercambio de otras llamadas «virtuales». Tienen ese nombre porque no son observables: existen por un tiempo brevísimo, tanto más corto cuanto mayor sea su masa, siempre que no se viole el principio de incertidumbre de Heisenberg de la teoría cuántica (que en este contexto dice que el producto de la incertidumbre de la energía por el tiempo de vida debe ser igual o mayor que una constante muy pequeña). Desaparecen antes de que haya tiempo para que su interacción con otras partículas delate su existencia.

                                  El fotón  virtual común se desplaza hacia la partícula menos energética.

Dos partículas interactúan al emitir una de ellas una partícula virtual que es absorbida por la otra. Su emisión y absorción cambia el estado de movimiento de las originales: están en interacción. Mientras menos masa tiene la partícula virtual, más lejos llega, mayor es el rango de la interacción. El alcance de la interacción es inversamente proporcional a la masa de la partícula portadora o intermedia. Por ejemplo, la partícula portadora de la fuerza electromagnética es el fotón, de masa nula y, por lo tanto, alcance infinito. La interacción gravitacional también tiene alcance infinito y debe corresponder a una partícula de masa nula: se le denomina gravitón. Naturalmente tiene que ser neutro. (Aún no ha sido vistos ni en pelea de perros).

Como ya hicimos mención de ello, a las fuerzas nucleares se les asocian también partículas portadoras. Para la interacción débil estas partículas se llaman bosones intermedios, expresados como W+, W- y Zº (neutro). El W- es antipartícula del W+. Los W tienen masas elevadas comparadas con las otras partículas elementales. Lo de bosones les viene porque tienen spin entero, como el fotón y el gravitón, que también los son, pero que tienen masas nulas. Las fuerzas fuertes son mediadas por unas partículas conocidas como gluones, de los cuales habría ocho. Sin embargo, ellos no tienen masa, pero tienen algunas de las propiedades de los quarks, que les permiten interactuar entre ellos mismos. Hasta ahora no se han observado gluones propiamente tal, ya que lo que mencionamos en párrafos anteriores corresponde a un estado de la materia a la que llamamos plasma. Claro está, que es posible que un tiempo más se puedan detectar gluones libres cuando se logre aumentar, aún más, la temperatura, como está previsto hacerlo en el acelerador bautizado como “Relativistic Heavy Ion Collider”, empotrado en Estados Unidos de Norteamérica.

TABLA DE LAS PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS PORTADORAS DE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES

Una partícula y su anti-partícula no pueden coexistir si están suficientemente cerca como para interactuar. Si ello ocurre, ellas se destruyen mutuamente: hay aniquilación de las partículas. El resultado es radiación electromagnética de alta energía, formada por fotones gamma. Así, si un electrón está cercano a un positrón se aniquilan en rayos gamma. Igual con un par protón-anti-protón muy próximos.

La reacción inversa también se presenta. Se llama «materialización o creación de partículas» de un par partícula-antipartícula a partir de fotones, pero se requieren condiciones físicas rigurosas. Es necesario que se creen pares partícula-antipartícula y que los fotones tengan una energía mayor que las masas en reposo de la partículas creadas. Por esta razón, se requieren fotones de muy alta energía, de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 . Para dar nacimiento a electrones/positrones es necesario un campo de radiación de temperaturas mayores a 7×10⁹ °K. Para hacer lo mismo con pares protón/anti-protón es necesario que ellas sean superiores a 2×10¹² °K. Temperaturas de este tipo se producen en los primeros instantes del universo.

Se detectan grandes emisiones de rayos gamma en explosiones supernovas y otros objetos energéticos

Los rayos gamma están presentes en explosiones de supernovas, colisión de estrellas de neutrones… Todos los sucesos de altas energías los hace presente para que nuestros ingenios los detecten y podamos conocer lo que la materia esconde en lo más profundo de sus “entrañas”. Aún no hemos podido conocer en profundidad la materia ni sabemos, tampoco, lo que realmente es la luz.

emilio silvera

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En un universo en expansión, la energía no se conserva

Fräulein Noether fue el genio matemático más creativo e importante desde que comenzó la educación superior de las mujeres. WIKIPEDIA

Invierno de 1915, Göttingen (Alemania), la Primera Gran Guerra asola Europa, arrasando ciudades, cortando centenarias rutas de suministros y generando un odio inconcebible hasta el momento. Entre todo el caos y destrucción imperante, alguien permanece ajeno a la situación que le rodea. Su mente divaga en torno a las extrañas ecuaciones garabateadas sobre un sinfín de papeles dispersos. Emmy Noether, sentada ante su escritorio de roble, se frota los ojos, atónita ante su reciente descubrimiento. Los últimos meses los ha dedicado de manera incansable a desarrollar el simple y elegante resultado que tiene ante sí.

La respuesta ante luz incidente polarizada de los dos estados superconductores es diferente si se viola la simetría de inversión temporal.

Ella acaba de demostrar que, si existe una simetría en las leyes físicas que gobiernan un determinado sistema, hay una cantidad que se conserva. No se trata de una conclusión irrelevante, y ella es consciente de ello. Físicos, químicos e ingenieros hacen uso diariamente de cantidades conservadas para realizar cualquiera de sus cálculos. Por ejemplo, para determinar si un proyectil alcanzará a un enemigo situado a una cierta distancia, solo es necesario calcular la energía liberada por la pólvora en combustión. Esta energía se transferirá al proyectil y, usando las ecuaciones de Newton, es posible calcular exactamente si la bala alcanzará el objetivo. Noether acababa de demostrar por tanto que, para saber si se conservará la energía de un sistema (como el sistema pólvora-bala), tan solo es necesario atender a la simetría de las ecuaciones que describen dicho sistema. En concreto, la conservación de la energía solo necesita de la simetría temporal de las ecuaciones, es decir, que éstas se cumplan tanto ahora como dentro de 1.000 años u otros tantos años atrás.

 

                                                                                          La uniformidad del tiempo

Noether demostró que, para saber si se conservará la energía de un sistema, tan solo es necesario atender a la simetría de las ecuaciones que describen dicho sistema.

 

 

 

 

Prácticamente en ese mismo momento, solo tres años mayor que ella, un treintañero llamado Albert Einstein repasaba asombrado las ecuaciones maestras de su teoría de la Relatividad General. Sorprende comprobar cómo en los momentos más oscuros de la humanidad afloran las mentes más brillantes. Cimentaba así una nueva forma de mirar al Universo, insólita hasta entonces, ya que el espacio y el tiempo se entrelazaban de manera inseparable con la materia, poniendo punto final a las inconsistencias que habían comenzado a aparecer en la física desarrollada durante el último siglo. Consecuencia de su abstracta teoría son fenómenos tan sorprendentes como el de la expansión del Universo (obtenida gracias a Lemaître, Friedmann, Robertson y Walker), que predice que el propio espacio se estira como un globo hinchándose, provocando que las galaxias se alejen unas de otras, algo que se observaría con precisión en 1922.

Muchos años después, los científicos serían capaces de fusionar ambas teorías, proponiendo un resultado que muchos de nosotros aún tratamos de comprender y de explorar. Si el Universo se expande, las ecuaciones que lo controlan pierden su simetría temporal, ya que las distancias entre objetos aumentan en el tiempo y nos veríamos obligados a reescalarlas. De una manera directa, podemos concluir que la energía en el universo NO se conserva. Debemos por tanto despedirnos de esa frase que tantas veces nos repitieron desde niños: “La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”. Demos la bienvenida a una nueva versión de la misma: “La energía se crea y se destruye y, a veces, se conserva”.

 

 

Sorprende comprobar cómo en los momentos más oscuros de la humanidad afloran las mentes más brillantes

 

 

No obstante, esta última afirmación la tenemos que repetir con cautela, ya que lo técnicamente correcto es decir que la energía de la materia del Universo no se conserva. Esto es debido a que en el Universo no hay únicamente materia, sino materia y espacio-tiempo. Las ecuaciones de Einstein contienen otras simetrías que conllevan conservaciones de cantidades que se parecen a la energía, pero contienen términos extra. Estos términos pueden asociarse a la energía propia del espacio-tiempo, pero dista de proporcionar una interpretación clara, ya que conduce a preguntas que no somos capaces de contestar aún, tales como: ¿cómo medimos esta energía? ¿de qué tipo es? ¿podemos usarla para, por ejemplo, viajes espaciales?

Hay que tener cuidado con los iluminados (miremos a Venezuela)

Mayo, 1935. Estados Unidos. Albores de la Segunda Guerra Mundial, Emmy Noether muere tras ser expulsada en 1933 de su puesto de trabajo en la Universidad de Göttingen y obligada a abandonar el país por un nazismo que no veía con buenos ojos su ascendencia judía. Albert Einstein, temiendo que la muerte de la mejor matemática del siglo XX pasara inadvertida para el mundo, escribe las siguientes palabras en el New York Times:

 

            La energía se crea y se destruye y, a veces, se conserva”

 

“[…] En el transcurso de los últimos días, la distinguida matemática Emmy Noether, anteriormente de la Universidad de Göttingen y durante los dos últimos años vinculada a la Universidad de Bryn Mawr, ha fallecido a los 53 años. A juicio de los matemáticos vivos más competentes, Fräulein Noether fue el genio matemático más creativo e importante desde que comenzó la educación superior de las mujeres. En el campo del álgebra […] descubrió métodos de enorme relevancia para el desarrollo de actuales generaciones de matemáticos más jóvenes. La Matemática pura es, a su modo, la poesía de las ideas lógicas. Uno busca las ideas más generales con las que formar de una manera simple, lógica y unificada, el círculo más grande posible de las relaciones formales. En este esfuerzo hacia la belleza lógica, se descubren fórmulas espirituales necesarias para una penetración más profunda en las leyes de la Naturaleza.[…]”

 Fuente: El Pais.

Marcos Pellejero Ibáñez es estudiante de doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Se licenció en la Universidad de Zaragoza y ha estudiado posteriormente en el Imperial College de Londres teorías alternativas al modelo estándar cosmológico. El tema de su tesis es la estructura de las más grandes escalas cósmicas.

Rafael Tapia Rojo es investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia, NYC. Se licenció y doctoró en la Universidad de Zaragoza, estudiando métodos de energía libre para comprender modelos de biomoléculas. Actualmente trabaja en el estudio de las propiedades mecánicas de proteínas con técnicas de molécula individual y paisajes de energía libre.

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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 neutron la cantidad de espín es siempre 1/2 del valor mínimo de momento permitido (ħ).

 

 

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 imágen de galaxias situadas a distancias inconmensurables. ¿Quién podría haber pensado, en el pasado, que tal cosa fuese posible? hace

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.

emilio silvera

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