Hemos tenido que construir máquinas inmensas para poder comprobar los efectos que se producen en un cuerpo cuando éste quiere ir más rápido que la luz. Lo predijo la teoría de la relatividad especial de Einstein y se ha comprobado despuès en los aceleradores de partículas: Nada va más rápido que la luz en nuestro Universo.

Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?

La única respuesta que podemos dar hoy es que así es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacio es una muestra.

A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio. A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad.

Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.

En el futuro, grandes estaciones sumergidas en el océano y ciudades en otros mundos rodeadas de campos de fuerza que impedirán la radiación nosiva mientras tanto se va consiguiendo terraformar el planeta. La tecnología habrá avanzado tanto que nada de lo que hoy podamos imaginar estará fuera de nuestro alcance y, viajar a mundos situados a decenas de años-luz de la Tierra será para entonces, lo cotidiano

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    Se quiere publicar los resultados completos obtenidos en BaBar detector Y Belle

” Durante la última década BaBar y Belle han estudiado la física de la parte inferior y el encanto mesones, leptones tau, estados quarkonium pesados​​, etc, que se produjeron en el PEP-II y anillos KEKB e + e-almacenamiento. Las dos colaboraciones desarrolladas contiuously cada vez más sofisticadas técnicas para extraer la máxima cantidad de información de los datos.

A menudo, estas técnicas se han utilizado en muchos análisis. Sin embargo, como la mayoría de BaBar de y más de 600 publicaciones de Belle son en la revista Physical Review Letters, Physical Review D Rapid Communications, y Physics Letters, donde el límite de páginas impuestas por las revistas no permiten una descripción completa de los análisis, muchos detalles de esta obra nunca se han publicado. La física de los B-Fábricas abordarán este problema proporcionando descripciones de todas las técnicas desarrolladas por los experimentos, y una visión global de las mediciones. Esto proporcionará una referencia esencial para los físicos que trabajan en la próxima generación de Fábricas Súper sabor”

Future Analysis

BaBar Computing Coordinator Tina Cartaro standing before the physical servers providing the virtual worlds for BaBar data to safely live in. (Photo by Matt Beardsley)

“Más de ocho años de datos de física de partículas cristalinas se mantienen disponibles para su análisis o re-análisis por lo menos hasta 2018, ahora ese proyecto a largo plazo de acceso a datos de BaBar es completa. El proyecto conserva un conjunto completo de datos de BaBar – todos femtobarns 530-plus inversas de ella – por, en cierto sentido, el tiempo de parada para ello, integrándola en un seguro de las actualizaciones, correcciones de errores y parches capullo computacional. Cualquier cosa que pueda interrumpir el ambiente de computación en donde se guarda cuidadosamente los datos se aloja por una disposición inteligente de los servidores, software y máquinas virtuales en red.

El proyecto BaBar LTDA es parte de un creciente movimiento para preservar los datos conseguidos con tanto esfuerzo para las generaciones futuras, en lugar de permitir que se desvanezca en el olvido, atrapado en medios de almacenamiento que han quedado obsoletas. BaBar tomó datos de las colisiones electrón-positrón en PEP II colisionador de SLAC 1999-2008, mientras que en busca de indicios de por qué la materia y la antimateria no llena el universo en su lugar.

Photos: Reidar Hahn, Fermilab

Cuando el experimento BaBar en el SLAC National Accelerator Laboratory cerró en abril de 2008, que puso fin a casi nueve años de la toma de datos en las desintegraciones de partículas subatómicas llamadas mesones B. Pero eso era apenas el final de la historia de los 500 científicos que trabajan en el experimento. En noviembre se celebraba la publicación de su artículo 400, y que esperan que los próximos años van a producir al menos 100 más.

No sólo son investigadores BaBar ocupados explorar las sutilezas de sus preguntas originales, pero también están utilizando datos BaBar para arrojar luz sobre otros misterios que pueden y de hecho surgir. Ahora los datos están listos.

“Somos el primer esfuerzo de conservación de datos para llegar a un estado tan madura”, a pesar de los numerosos criterios del proyecto LTDA debía cumplir, dijo Tina Cartaro, coordinador de informática de Babar. Los datos tuvieron que ser fácil de administrar y fácil de mantener con un mínimo de esfuerzo, agregó la coordinadora Tina Cartaro.”

Entre 1999 y 2008, en el acelerador de partículas del SLAC, se produjeron más de 500 millones de mesones B, y sus contrapartidas de antimateria llamados B-bar. Así, los científicos observaron cómo estas partículas incumplían la simetría CP. El problema para observar la ruptura de la simetría T residía en que los mesones B se desintegran irreversiblemente en pocas billonésimas de segundo, impidiendo invertir su situación inicial y final. La solución se ha encontrado mediante la correlación cuántica entre los dos B, que permite que la información de la partícula que se desintegra primero se utilice en ese momento para determinar el estado de su partícula compañera que aún vive. Los investigadores han descubierto que el estado de este último mesón B se transforma en otro unas seis veces más a menudo en un sentido que en el inverso.

Observan la ruptura de simetría temporal en un líquido de spín quiral gracias al efecto Hall anómalo

En física no se deja de experimentar para saber como funciona la Naturaleza y si sus leyes son estables.   Por ejemplo, el magnetismo de un imán es debido a los momentos magnéticos libres (espines) de los átomos que lo constituyen. En un material paramagnético, al aplicar un campo magnético, estos espines se alinean paralelamente al campo, en otro caso están orientados al azar. Un imán permanente es un material ferromagnético en el que el acoplamiento entre los espines es suficientemente fuerte para mantener su alineamiento. Muchos materiales paramagnéticos dejan de serlo a muy baja temperatura debido a una ruptura espontánea de la isotropía (simetría continua de rotación) en su estado fundamental. Un paramagneto cuántico es un material que mantiene su paramagnetismo a temperaturas muy bajas.

“Ruptura de simetría en el tiempo en las leyes de la Física Una investigación liderada por el Instituto de Física Corpuscular, centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia, ha obtenido evidencias de la ruptura de la simetría en el tiempo en las leyes de la Física. El hallazgo, que se publica en la revista Physical Review Letters, ha contado con el apoyo de la colaboración internacional BaBar del laboratorio SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) del Departamento de Energía de Estados Unidos en la Universidad de Stanford (California).

En experimentos previos con partículas conocidas como mesones K y B, se observó que no se cumplía la simetría CP. El teorema CPT indica que, para cualquier sistema de partículas, las simetrías deben mantenerse equilibradas, es decir, si la simetría CP no se cumple, la simetría T tampoco. El investigador Fernando Martínez Vidal añade que “la clave para medir directamente la ruptura de la simetría T nos la dio el experimento BaBar del SLAC, que fue diseñado para el estudio en profundidad de la asimetría entre materia y antimateria”.

“Cualquier indicio de ruptura de la simetría CPT requeriría un serio replanteamiento de nuestro entendimiento de la Naturaleza”

Eso es lo que han dicho reputados físicos reconocidos mundialmente, y, si eso es así (que lo es), parece que estamos entrando en una nueva era del conocimiento. El tiempo discurre inexorablemente. En la historia del universo y en los sistemas complejos, la evolución temporal está asociada al aumento de entropía. Dicho de otro modo, con el paso del tiempo, el desorden siempre crece a partir de una situación inicial más ordenada.

               El Universo como sistema cerrado está aumentando constantemente su entropía. Acodáos de la sencilla y maravillosa ecuación  S = k log W que figura en la cabecera de la lápida de Boltzmann como reconocimiento a su ingenio.  La sencilla ecuación (como todas las que en Física han tenido una enorme importancia, es la mayor aportaciópn de Boltzmann y una de las ecuaciones más importantes de la Física. El significado de las tres letras que aparecen (aparte la notación para el logaritmo es el siguiente: S es la entropía de un Sistema; W el número de microestados posibles de sus partículas elementales y k una constante de proporcionalidad que hoy día recibe el nombre de constante de Boltzmann y cuyo valor es k = 1,3805 x 10^-23 J(K (si el logaritmo se toma en base natural). En esta breve ecuación se encierra la conexión entre el micromundo y el macromundo, y por ella se reconoce a Boltzmann como el padre de la rama de la Física comocida como Mecánica Estadistica.

El tiempo discurre inexorablemente. En la historia del universo y en los sistemas complejos, la evolución temporal está asociada al aumento de entropía. Dicho de otro modo, con el paso del tiempo, el desorden siempre crece a partir de una situación inicial más ordenada.

Para explicarlo, podemos imaginar que vemos hacia atrás una película en la que un jarrón cae al suelo y se rompe en pedazos. Veremos como retroceden las imágenes y las piezas rotas del jarrón se vuelven a juntar para mostrarse de nuevo perecto. Nos percataríamos muy rápido de que lo que observamos es imposible desde el punto de vista de las leyes físicas, porque sabemos que no es posible que los pedazos vuelen del suelo y se ordenen formando un jarrón. Y eso es porque desde nuestro punto de vista, “

                     Lo que se rompe roto queda en el pasado y todo corre hacia el futuro

Ahora bien, para una partícula aislada, el paso del tiempo parece el mismo hacia delante y hacia atrás, es decir, su movimiento es reversible o temporalmente simétrico. Imaginemos que ahora vemos una película en la que aparece una bola de billar que choca contra una banda. Si no nos lo dicen, no seríamos capaces de saber si la proyección de la película va hacia delante o hacia atrás. Esto se debe a que, en ambos sentidos temporales, el movimiento de la bola de billar cumple las mismas leyes físicas. Este concepto se conoce como simetría bajo inversión temporal y nos dice que, en el mundo de las partículas, las teorías físicas son válidas tanto para un sentido de su movimiento como para su inverso, lo que equivale a decir que funcionan igual hacia delante como hacia atrás en el tiempo.

El tiempo tiene una dirección preferente

El investigador José Bernabéu explica: “La ruptura de la simetría temporal o simetría T en física de partículas está relacionada con la asimetría CP existente entre materia y antimateria, necesaria para generar el universo actual de materia en algún momento de su historia. La simetría C afirma que, sabiendo que a cada partícula de la naturaleza le corresponde una antipartícula con carga opuesta, las leyes de la física serían las mismas al intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa”.

En el Universo que observamos si existe la antimateria, no la hemos podido localizar de manera innegable y, es posible que ande por ahí y que, incluso, algunos de los fenómenos energéticos de grandes explosiones Gamma que se han detectado pudieran ser el resultado del encuentra de objetos de materia con otros de antimateria pero… ¡No lo sabemos! Si el telescopio Hubble, por ejemplo, captara la imagen de una hermosa galaxias de antimatería, no lo sabríamos, ya que sería exacta a la imagen de la misma galaxia de materia.

Dos representaciones dimensionales de paridad son dadas por un par de estados cuánticos que van entre ellos sobre la paridad. Sin embargo, esta representación puede reducirse siempre a combinaciones lineales de estados; cada uno de ellos es par o impar bajo la paridad. Se dice que todas las representaciones irreductibles de la paridad son de dimensión 1.

La paridad es la simetría de Alicia en el país de las maravillas a través del espejo. La simetría P de una ley física indica que dicha ley es invariante si reflejamos el universo en un espejo. La teoría electrodébil de la fuerza nuclear débil en desintegraciones de partículas que involucran neutrinos viola la simetría P lo que fue toda una revolución en su momento (Premio Nobel de Física en 1957, justo un año después del descubrimiento). La cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza fuerte, no viola la paridad (en el mismo sentido que la teoría electrodébil). Sin embargo, como se teorizó hace más de 10 años (Dmitri Karzeev et al., PRL 1998) y se ha descubierto experimentalmente…

Pero hablábamos de simetría y la simetría P, que señala que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. Estas dos simetrías combinadas dan lugar a la simetría carga-paridad o simetría CP. En experimentos previos con partículas conocidas como mesones K y B, se observó que no se cumplía la simetría CP. El teorema CPT indica que, para cualquier sistema de partículas, las simetrías deben mantenerse equilibradas, es decir, si la simetría CP no se cumple, la simetría T tampoco.

La simetría CPT es un principio fundamental de invariancia o simetría de las leyes físicas que establece que bajo transformaciones simultáneas que involucren la inversión de la carga eléctrica, la paridad y el sentido del tiempo las ecuaciones de evolución temporal de un proceso físico y las de un proceso análogo en que:

1. Conjugación de carga (C).Todas las partículas se sustituyen por sus correspondientes antipartículas.
2. Inversión de paridad (P). Se invierte la paridad espacial de proceso (esto tiene que ver con el intercambio de derecha e izquierda, y con el cambio en el espin de las partículas).
3. Inversión temporal (T). Se invierte el sentido del tiempo.

son invariantes y vienen descritos por las mismas ecuaciones y arrojan los mismos resultados. Pero la Física es amplia y podríamos también, hablar aquí de sus teorías como, por ejmplo…

Partículas y campos, clásicos y cuánticos. Las nociones clásicas de partícula y campo comparadas con su contrapartid 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.

La teoría cuántica de campos es una disciplina de la físicaque aplica los principios de la mecñanica cuántica a los sistemas clásicos de campos contiinuos, por ejemplo, el campo electromanético. Una consecuencia inmediata de esta teoría es que el comportamiento cuántico de un campo continuo es equivalente al de un sistema de partículas^{n 1} cuyo número no es constante, es decir, que pueden crearse o destruirse. También se la denomina teoría de campos cuánticos, TCC o QFT, sigla en inglés de quantum field theory.

Su principal aplicación es la fñisica de altas energías, donde se combina con los postulados de la relatividad especial. En este régimen se usa para estudiar las partículas subatómicas y sus interacciones, y permite explicar fenómenos como la relación entre espín y estadística, la la simetría CPT, la existencia de la antiomateria, etc.

Dispersión de neutrones. La dispersión inelásctivca de neutrones en un cristal es el resultado de la interacción de un neutrón lanzado contra los átomosá en vibración de la red cristalina.  En teoría cuántica de campos, el proceso se modeliza de manera más sencilla al introducir los cuantos de las ondas sonoras del cristal, los fonones,  entendiéndolo como la absorción o emisión de un fonón por el neutrón.

Pero sigamos con el Teorema CPT, en vitud del cual la operación combinada de cambiar la conjunción de carga C, la paridad P y la inversión temporal T, denotada CPT, es una simetría fundamental de las teorías cuánticas de campo relativistas. A pesar de todo lo que se diga, no se conoce ninguna experiencia de la violación del Teorema CPT. Cuando C, P y T (o dos cualquiera de ellas) son violadas, los principios de la Teoría cuántica de campos relativista no se ven afectados. Sin embargo, la violación de la invariancia CPT cambiaría drásticamente los fundamentos de la teoría cuántica de campos relativista. No se conoce si las supercuerdas  o las supersimetrías obedecen versiones del Teorema CPT.

La simetría CPT es una simetría fundamental de las leyes físicas bajo transformaciones que implican la inversión simultánea de la carga, la paridad, y el tiempo.  Una consecuencia de esta derivación es que la violación de la CPT indica automáticamente una violación de Lorentz. La implicación de la simetría CPT es que una “imagen en espejo” de nuestro universo – con todos los objetos que tienen sus posiciones reflejadas en un plano imaginario, toda momentos invierte y con toda la materia reemplazado por antimateria – evolucionaría exactamente bajo nuestras leyes físicas. La transformación CPT convierte nuestro universo su “imagen en espejo” y viceversa en. La simetría CPT es reconocida como una propiedad fundamental de las leyes físicas.

La teoría de las partículas elementales considera tres formas básicas de simetría: simetría especular, simetría de carga y simetría temporal (en el lenguaje de la física la simetría especular es denominada P, de paridad; la simetría de carga, C y la simetría temporal,T).

En la simetría especular todos los sucesos ocurren exactamente igual si son observados directamente o reflejados en un espejo. Ello implica que no existe ninguna diferencia entre izquierda y derecha y nadie sería capaz de distinguir su propio mundo de otro reflejado en un espejo. La simetría de carga predice que las partículas cargadas se comportarán exactamente igual que sus antipartículas, las cuales tiene exactamente las mismas propiedades pero carga opuesta. Y de acuerdo con la simetría temporal, las cosas sucederían exactamente igual con independencia de que el tiempo transcurra hacia delante o hacia atrás.

Publica emilio silvera

Fuentes diversas.

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El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia desde hace décadas. El problema es el siguiente:

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo.

El otro pilar es la mecánica cuántica, que en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por el mismo Einstein, W. Heisemberg, Schrödinger, Dirac, Feynman, Niels Bohr y otros, que nos ofrece un marco teórico para comprender el universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Durante años de investigación, los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota; la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector, no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que  será debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de neutrones y agujeros negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado; las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo, este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

No obstante, el universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y a tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Siempre hemos querido saber qué pasa dentro de un Agujero Negro. Sin embargo, nadie entró nunca y regresó para poder contarlo. Según todos los indicios, lo que pueda caer dentro del agujero negro, una vez pasado el límite de irás y no volverás del horizonte de sucesos, quedará allí “triturado” hasta densidades inimaginables. No sabemos qué clase de materia es la que pueda confiormar una singularidad y qué es lo que pasa con las partículas de materia que allí pudieron llegar atraídas por la inmensa fuerza gravitatoria que el A.N. genera.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

No creo que eso pueda ser así. Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que abre la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique de una vez por todas las dos teorías más importantes de la física: mecánica cuántica + relatividad general.

La teoría de supercuerdas ha venido a darme la razón. Los intensos trabajos de investigación llevada a cabo durante las últimas décadas demuestran que puede ser posible la unificación de las dos teorías cuántica y relativista a través de nuevas y profundas matemáticas topológicas que han tomado la dirección de nuevos planteamientos más avanzados y modernos, que pueden explicar la materia en su nivel básico para resolver la tensión existente entre las dos teorías.

En esta nueva teoría de supercuerdas se trabaja en 10, 11 ó en 26 dimensiones, se amplía el espacio ahora muy reducido y se consigue con ello, no sólo el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general no se rechacen, sino que por el contrario, se necesitan la una a la otra para que esta nueva teoría tenga sentido. Según la teoría de supercuerdas, el matrimonio de las leyes de lo muy grande y las leyes de lo muy pequeño no sólo es feliz, sino inevitable.

Esto es sólo una parte de las buenas noticias, porque además, la teoría de las supercuerdas (abreviando teoría de cuerdas) hace que esta unión avance dando un paso de gigante. Durante 30 años, Einstein se dedicó por entero a buscar esta teoría de unificación de las dos teorías, no lo consiguió y murió en el empeño; la explicación de su fracaso reside en que en aquel tiempo, las matemáticas de la teoría de supercuerdas eran aún desconocidas.  Sin embargo, hay una curiosa coincidencia en todo esto, me explico:

Cuando los físicos trabajan con las matemáticas de la nueva teoría de supercuerdas, Einstein, sin que nadie le llame, allí aparece y se hace presente por medio de las ecuaciones de campo de la relatividad general que, como por arte de magia, surgen de la nada y se hacen presentes en la nueva teoría que todo lo unifica y también todo lo explica; posee el poder demostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en nuestro universo (desde la frenética danza de una partícula subatómica que se llama quark hasta el majestuoso baile de las galaxias o de las estrellas binarias bailando un valls, la bola de fuego del Big Bang y los agujeros negros) todo está comprendido dentro de un gran principio físico en una ecuación magistral.

Esta nueva teoría requiere conceptos nuevos y matemáticas muy avanzados y nos exige cambiar nuestra manera actual de entender el espacio, el tiempo y la materia. Llevará cierto tiempo adaptarse a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo su manejo y su entendimiento. No obstante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que se han realizado en la física del último siglo. De hecho, gracias a esta nueva y magnifica teoría, veremos que el conflicto a que antes me refería existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general no es realmente el primero, sino el tercero de una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que fueron resueltos como consecuencia de una revisión radical de nuestra manera de entender el universo.

El primero de estos conceptos conflictivos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, está referido a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz.

Isaac Newton y sus leyes del movimiento nos decía que si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, y las leyes del electromagnetismo de Maxwell decían que esto era totalmente imposible. Einstein, en 1.905, vino a solucionar el problema con su teoría de la relatividad especial y a partir de ahí le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo que, según esta teoría, no se pueden considerar separadamente y como conceptos fijos e inamovibles para todos, sino que por el contrario, el espacio-tiempo era una estructura maleable cuya forma y modo de presentarse dependían del estado de movimiento del observador que lo esté midiendo.

El escenario creado por el desarrollo de la relatividad especial construyó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones de Einstein es que ningún objeto (de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase) puede viajar a una velocidad superior a la de la luz. Einstein amplió su teoría en 1915 – relatividad general – y perfeccionó la teoría de la gravitación de Newton, ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad que estaba producida por la presencia de grandes masas, tales como planetas o estrellas, que curvaban el espacio y distorsionaban el tiempo. También la Luz acusa los efectos gravitatorios.

Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. La luna no se escapa y se mantiene ahí, a 400.000 Km de distancia de la Tierra, porque está influenciada por la fuerza de gravedad que ambos objetos crean y los mantiene unidos por esa cuerda invisible que tira de la una hacia la otra y viceversa. Igualmente ocurre con el Sol y la Tierra que, separados por 150 millones de kilómetros, están influidos por esa fuerza gravitatoria que hace girar a la Tierra (y a los demás planetas del Sistema Solar) alrededor del Sol.

Así las cosas, no podemos ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo, al contrario; según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de los sucesos.

   En el “universo” infinitesimal de las partículas ocurren cosas muy extrañas que no vemos en la vida cotidiana

El descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. Durante tres décadas desde 1.900, en que Max Planck publicó su trabajo sobre la absorción o emisión de energía de manera discontinua y mediante paquetes discretos a los que él llamo cuantos, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Así que el tercer conflicto estaba servido, la incompatibilidad manifiesta entre relatividad general y mecánica cuántica.

La forma geométrica ligeramente curvada del espacio que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica, lo cual era sin duda alguna el problema central de la física moderna.

Las dos grandes teorías de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, infalibles y perfectas por separado, no funcionaban cuando tratábamos de unirlas resulta algo incomprensible, y, de todo ello podemos deducir que, el problema radica en que debemos saber como desarrolar nuevas teorías que modernicen a las ya existentes que, siendo buenas herramientas, también nos resultan incompletas para lo que, en realidad, necesitamos.

emilio silvera

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El deuterón es una de las variedades del ion hidrógeno o Hidrón. En química,  y en física de partículas, el deuterón, (del griego δεύτερος, deuteros, “el segundo”), designa el núcleo del átomo de deuterio,   un isótopo  estable del elemento Hidrógeno.  El símbolo del deuterón es ²H⁺, o más raramente, D⁺ o simplemente d. Un deuterón se compone de un neutrón y un protón.

Estaba pensando escribir un poco sobre cuestiones generales de la Física, y, de pronto, sin saber el por qué, me vino a la memoria que, el deuterón, resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos.  En 1.934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P.Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituído por un protón y 2 neutrones. La reacción de planteó así:

Hidrógeno2 + Hidrógeno2 → Hidrógeno3 + Hidrógeno1

Fusión nuclear de deuterones (núcleos de deuterio) y tritones (núcleos de tritio) con producción de helio. Este nuevo Hidrógeno superpesado se denomino “tritio” (del griego tritos “terceros”); su ebullición a 25’0 °K y su fusión, 20’5 °K.

Como con cierta frecuencia me pasa, me desvió del tema en un principio elegido y, sin poderlo evitar, mi ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos.  Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo, un fugaz recuerdo, lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar, así, en este caso, me pasé a la química que, también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física, de hecho son hermanas, la madre, las matemáticas, la única que, finalmente, lo podrá explicar todo.

“Puesto que el electrón posee una carga eléctrica (negativa), cualquier movimiento del mismo puede generar un pequeño campo magnético capaz de hacerlo interactuar con un campo magnético externo no homogéneo. Y una manera en la cual el 47avo electrón solitario pueda comportarse como un pequeño imán dándole de este modo al átomo de plata un momento magnético es girando sobre su propio eje como si fuese un trompo”

Estamos hablando de las partículas y no podemos dejar a un lado el tema del movimiento rotatorio de las mismas. Usualmente se ve cómo la partícula gira sobre su eje, a semejanza de un trompo, o como la Tierra, o el Sol, o nuestra Galaxia o, si se me permite decirlo, como el propio Universo. En 1.925, los físicos holandeses George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit aludieron por primera vez a esa rotación de las partículas.  Estas, al girar, genera un minúsculo campo magnético; tales campos han sido objeto de medidas y exploraciones, principalmente por parte del físico alemán Otto Stern y el físico norteamericano Isaac Rabi, quienes recibieron los premios Nóbel de Física en 1.943 y 1.944, respectivamente, por sus trabajos sobre dicho fenómeno.

Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en número mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1.926, por Fermín y Dirac.  Por ello, se las llama y conoce como Estadísticas Fermi-Dirac.  Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par.  Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S.N.Bose. Las partículas que se adaptan a la “estadística Bose-Einstein” son “bosones”.  Por ejemplo, la partícula alfa, es un bosón.

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.

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 haya 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.

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).

“Un condensado de Bose–Einstein es un estado de la materia en el que ciertas partículas (bosones) pierden sus características individuales para colapsar en un único estado colectivo y en el cual los efectos cuánticos se manifiestan en una escala macroscópica. Ésta condensación fue predicha por Bose y Einstein en 1924-25. A finales de los años 30 se observó que, a muy bajas temperaturas (-271 ºC = 2.17 grados Kelvin) cerca del cero absoluto, el helio-4 se comportaba como un nuevo fluido con propiedades inusuales tales como la ausencia de viscosidad (fluir sin disipar energía) y la existencia de vórtices (pequeños remolinos indestructibles) cuantizados. A este nuevo estado se le conoce como superfluido. L. Landau obtuvo el Premio Nobel en 1964 por su teoría fenomenológica que explica la superfluidez como una consecuencia de un condensado de bosones interactuántes.”

La condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7k) 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. Este efecto (condensación Bose-Einstein), como ya habréis podido suponer, es llamado así en honor al físico Satyendra Naht Bose (1.894-1.974) y de 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.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender como 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 ocurre así. La prueba directa más evidente de ello 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 equivalentes a cero, aunque por alguna razón desconocida, lograr 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 reine en el Universo y que esté presente, de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla). ¡Es Curioso! Sea como fuere, la rotación del neutrón nos dé la respuesta a esas preguntas:

¿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 “antihielo 3″, y no cabe duda de que se pudiera crear otros antinúcleos más complicados aun 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 dichas interacciones materia-antimateria.

No parece que dichas observaciones fuesen un éxito. La única materia detectada ha sido siempre la Bariónica, la que podemos ver y emite radiación y luz. De todas las demás formas de materia de la que tanto hemos hablado (materia oscura, antimateria, o, sustancia cósmica… ¡ni la más mínima pista! Al menos hasta el momento.

¿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.

Se trata de núcleos de Antihelio 4 formados por dos antiprotones y dos antineutrones

Este es el dilema.  La teoría nos dice que debería haber allí, en el espacio interestelar,  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 quásares? ¿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.

 Con esto de la antimateria me ocurre igual que con el hecho, algunas veces planteado de su composición en lugares muy lejanos del Universo.

“Ha caído una nave extraterrestre y nuestros científicos han comprobado que está hecha de un material desconocido, casi indestructible.”

El comentario de arriba se ha podido oír en alguna película de ciencia ficción. Podría ser verdad ¡un material desconocido! Sin embargo, no porque la nave esté construida por una materia distinta a la que aquí existe, sino porque, de los mismos materiales que pueblan todo el Universo, esos extraterrestres han sabido manipularlos para conseguir una aleación distinta. El Universo es igual en todas partes y, por muy lejos que un mundo pueda estar situado, siempre estará compuesto, en mayor o menor proporción, por los elementos conocidos de la Tabla Periódica. Otra cosa será el nivel tecnológico que ese pueblo pueda tener para conseguir aleaciones inusuales en la Tierra.

Lo único que puede diferir, es la forma en que se utilice, el tratamiento que se le pueda dar, y, sobre todo el poseer el conocimiento y la tecnología necesarios para poder obtener, el máximo resultado de las propiedades que dicha materia encierra. Porque, en última instancia ¿es en verdad inerte la materia?

Está claro que, dentro de lo que ya sabemos, lo único que podemos asegurar es el hecho de que, a partir de la materia, lo podremos conseguir todo y, está claro que, aún encierra muchos secretos que no hemos podido desvelar.

emilio silvera

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