El mayor misterio que rodea a los valores de las constantes de la naturaleza es sin duda la ubicuidad de algunos números enormes que aparecen en una variedad de consideraciones aparentemente inconexas. El número de Eddington es un ejemplo notable. El número total de protones que hay     dentro del alcance del universo observable esta próximo al número

10⁸⁰

Si preguntamos ahora por la razón entre las intensidades de las fuerzas electromagnéticas y gravitatoria entre dos protones, la respuesta no depende de su separación, sino que es aproximadamente igual a

10⁴⁰

Es un misterio. Es bastante habitual que los números puros que incluyen las constantes de la naturaleza difieran de 1 en un factor del orden de 10², ¡pero 10⁴⁰, y su cuadrado 10⁸⁰, es rarísimo! Y esto no es todo. Si seguimos a Max Planck y calculamos en valor estimado para la “acción” del universo observable en unidades fundamentales de Planck para la acción, obtenemos.

10¹²⁰

Arthur Eddington, uno de los más grandes astrofísicos del siglo XX, combinación de lo más profundo y lo fantástico. Más que cualquier otra figura moderna es el responsable de poner en marcha los inacabables intentos de explicar las constantes de la naturaleza por proezas de numerología pura. Él también advirtió un aspecto nuevo y espectacular de las constantes de la naturaleza.

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En algún otro co0mentario he comentado: “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?”

El mundo actual se encuentra sumido en una gran revolución sociocultural basada en la ciencia y la tecnología. Ahora hablamos con normalidad de nanotecnologías basadas en el Grafeno que dejan hacer maravillas impensables hasta hace muy poco tiempo.

Las partículas Alfas son átomos de He doblemente ionizados, es decir, que han perdido sus dos electrones. Por tanto, tienen dos neutrones y dos protones. Es la radiación característica de isótopos de número atómico elevado, tales como los del uranio, torio, radio, plutonio. Dada la elevada masa de estas partículas y a que se emiten a gran velocidad por los núcleos (su velocidad es del orden de 10⁷m/s), al chocar con la materia pierden gradualmente su energía ionizando los átomos y se frenan muy rápidamente, por lo que quedan detenidas con tan sólo unos cm de aire o unas milésimas de mm de agua. En su interacción con el cuerpo humano no son capaces de atravesar la piel. Así pues, tienen poco poder de penetración siendo absorbidos totalmente por una lámina de aluminio de 0.1 mm de espesor o una simple hoja de papel.

Las partículas beta son electrones emitidos a grandes velocidades próximas a la de la luz. Debido a la menor masa que la radiación alfa, tienen más poder de penetración que las partículas alfa siendo absorbidas por una lámina de aluminio de 0.5 mm de espesor y quedan frenadas en algunos m de aire, o por 1 cm de agua. En el cuerpo humano, pueden llegar a traspasar la piel, pero no sobrepasan el tejido subcutáneo. Los positrones son partículas con masa despreciable y carga equivalente a la de un protón.

Las partículas gamma son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero de menor longitud de onda. Su poder de penetración es muy elevado frente al de las partículas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormigón o unos pocos cm de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de radiación, hay que utilizar blindajes adecuados.

Los neutrones proceden de reacciones de fisión o de reacciones nucleares con otras partículas. Pueden ser muy penetrantes excepto en agua y en hormigón, y se utilizan para producir elementos radiactivos cuando interaccionan con elementos estables.

             Los neutrinos son partículas de lo más extrañas: no tienen carga eléctrica, prácticamente no tienen masa y pueden viajar largas distancias atravesando todo a su paso y sin desviarse. De hecho, varios neutrinos pueden haber atravesado tu cuerpo mientras leías este párrafo. De verdad.

Son partículas “fantasma” producidas en los profundos infiernos estelares, en el corazón de las supernovas y en las explosiones de estrellas moribundas. Suena dramático, y lo es. Tienen una masa 200.000 veces menor que la del electrón, por lo que pueden traspasar la materia como si estuvieran en otro mundo, pero están en este.

La energía  es la capacidad que tiene un sistema para producirtrabajo; se mide en Joules. A pesar de ser un fenómeno único puede manifestarse de varias formas: Mecánica, Eléctrica, Calórica, etc; y pueden transformarse unas en otras. Esta transformación de las energías se los llamaPrincipio de conservación de la Energía, pero ¿Qué es el Principio de conservación de la Energía? Esto es una ley de la relatividad, según la cual la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

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.

         Claro que, hay mucha materia perdida.

Tal solución 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”.

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Al filo de la noticia surgida en Italia (experimento OPERA) sobre que se han detectado neutrinos que van más rápido que la luz (cosa altamente dudosa), se me ha ocurrido traer aquí hoy algo sobre los neutrinos para conocerlos mejor. De todas las maneras, la noticia se podía haber dado con más precauciones y sin afirmar nada hasta que, todo esto sea debidamente verificado (ya se detectó el error).

El CERN halla partículas que se mueven más rápido que la luz

Manuscrito de Einstein con la fórmula de la Teoría de la Relatividad. | E. M.

En otras ocasiones también han surgido noticias sobre los neutrinos que dicen haber comprobado otras cuestiones a ellos relativas, como por ejemplo:

“Los neutrinos tiene masa

Los físicos han confirmado que los neutrinos, que se pensaba que habían jugado un papel principal durante la creación del Universo, tienen masa.

Este es el primer gran descubrimiento del experimento situado en Estados Unidos MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search – Buscador de Oscilaciones de Neutrinos con Inyector Principal).

Los hallazgos sugieren que el Modelo Estándar, el cual describe cómo se comportan e interactúan los elementos básicos del Universo, necesita una revisión.

Los neutrinos se piensa que son vitales en nuestra comprensión del Universo. Pero los científicos tienen un conocimiento frustrantemente pequeño sobre estas partículas fundamentales.”

La luz está compuesta por fotones y precisamente ya se ha dicho que es la luz la que tiene el record de velocidad del universo al correr a unos 300.000 Km/s, exactamente 299.792’458 Km/s. Dicha realidad, es precisaqmente posible por el hecho de que el fotón carece de masa. Así que, si los neutrinos la tiene, aunque sea del orden de entre 0,005  y 0,5 eV, que es menos que una millonésima parte de la masa del electrón, entonces, nunca podría ir más rápido que la luz que son fotones “sin masa”.

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La rápida expansión de la física en las últimas décadas ha sido posible gracias a los avances fundamentales del primer tercio del siglo XX, junto con los recientes adelantos tecnológicos, sobre todo en tecnología informática, electrónica, aplicaciones de la energía nuclear y aceleradores de partículas de altas energías.

Aceleradores

Rutherford y los otros pioneros de la investigación de las propiedades nucleares estaban limitados a emplear en sus investigaciones sobre el átomo las emisiones de alta energía procedentes de sustancias radiactivas naturales. Las emisiones artificiales de alta energía fueron producidas por primera vez en 1932 por el físico británico John Cockcroft y su colega irlandés Ernest Walton, que emplearon generadores de alta tensión para acelerar electrones hasta unos 700.000 eV; estos elementos fueron utilizados para bombardear núcleos de litio, que se transformaron en núcleos de helio. Un electronvoltio (eV) es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio, y equivale a 1,6 × 10-19 julios. Los aceleradores modernos producen energías de millones de eV (megaelectronvoltios, o MeV), miles de millones de eV (gigaelectronvoltios, o GeV) o incluso billones de eV (teraelectronvoltios, o TeV). La posibilidad de generar tensiones muy elevadas apareció en 1932, cuando el físico estadounidense Robert J. Van de Graaff inventó el aparato conocido como generador de Van de Graaff.

Poco tiempo después, los físicos estadounidenses Ernest Orlando Lawrence y Milton Stanley Livingston inventaron el ciclotrón; este dispositivo emplea un campo magnético para mantener partículas cargadas moviéndose en trayectorias circulares, y en cada media vuelta proporciona a las partículas un pequeño “empujón” eléctrico hasta que acumulan las altas energías deseadas. El ciclotrón permitía acelerar protones hasta unos 10 MeV, pero para obtener energías más elevadas hubo que esperar hasta después de la II Guerra Mundial, cuando se desarrolló el sincrotrón a partir de las ideas del físico estadounidense Edwin Mattison McMillan y el físico soviético Vladimir I. Veksler. Después de la II Guerra Mundial se produjeron rápidos avances en el diseño de aceleradores y se construyeron aparatos de diferentes tipos para producir haces de alta energía de electrones, protones, deuterones, iones pesados o rayos X.

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Y, el electromagnetismo…

La parte primera finalizó así:

Faraday

Albert Einstein tenía en la pared de su estudio un retrato de Michael Faraday (1791-1867), y ningún otro hubiera podido ser más apropiado, pues Faraday fue el pionero y el profeta de la gran revisión que hizo posible la obra de Einstein. El mundo ya no sería un escenario newtoniano de “fuerzas a distancias”, objetos mutuamente atraídos por la fuerza de la Gravedad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que hay entre ellos. El mundo material se convertiría en una tentadora escena de sutiles y omnipresentes “campos de fuerzas”. Esta idea era tan radical como la revolución newtoniana, e incluso más difícil de comprender para los legos en la materia.

Tal como la revolución copernicana en la astronomía, la revolución “del campo”  en la física sería un desafío al sentido común y conduciría una vez más a los científicos pioneros a “las brumas de la paradoja”. Si Michael Faraday hubiese tenido una sólida formación matemática quizá no hubiera estado tan dispuesto a realizar su sorprendente revisión. Hijo de un herrero pobre de las afueras de Londres, Faraday tuvo que ganarse la vida desde muy niño, y se dice que en tiempos de guerra, cuando los precios eran muy altos, pasaba una semana entera con una barra de pan. Sus padres pertenecían a una reducida secta protestante escocesa fundamentalista y practicante del ascetismo que, como los cuáqueros, creía en un clero laico y se oponía a la acumulación de bienes materiales. Faraday asistía regularmente a las reuniones dominicales y fue uno de los dirigentes de la congregación hasta el final de su vida. Los pasajes más marcados de su muy leída Biblia se hallaban en el libro de Job. Faraday prácticamente no tuvo una educación formal -“poco más que los rudimentos de lectura, escritura y aritmética que se enseñan en una escuela corriente”- pero a los trece años entró afortunadamente a trabajar en el taller de un amistoso impresor y encuadernador francés emigrado, un tal monsieur Riebau. Al principio Faraday repartía los periódicos que Riebau prestaba, y los recogía posteriormente para llevarlos a otros clientes.

Faraday at work in his bottle-lined laboratory in the
basement of the Royal Institution in London.
Painting by Harriet Moore

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