Año Internacional de la Astronomía 2009. En España (AIA-IYA2009)

Fase, transición de

Cambio abrupto en el estado de equilibrio de un sistema, producido por el enfriamiento del universo primitivo a medida que se enfrió.

Cambio de característica de un sistema. Algunos ejemplos de transiciones de fase son los cambios de sólido a líquido, líquido a gas y los cambios inversos. Las transiciones de fase pueden ocurrir al alterar variables como la temperatura y la presión.

Las transiciones de fase se pueden clasificar por su orden. Si hay un calor latente no nulo, la transición se dice que es de primer orden. Si el calor latente es cero, se dice que es transición de segundo orden.

El mejor ejemplo en nosotros es cuando una mujer se queda embarazada; la transición de fase es completa.

Fermi

Unidad de longitud utilizada antiguamente en física nuclear. Es igual a 10^{-15 metros. En unidades del SI es igual a un fentometro (fm). Se llama así en honor al físico italiano (nacionalizado estadounidense) Enrico Fermi (1.901-1.954).}

A Fermi debemos la constante de acoplamiento, símbolo Gw, asociada a las interacciones débiles que dan lugar a la desintegración beta. Esta constante tiene el valor 1’435×10^-36 Julios metro³.

También es conocido “el Nivel de Fermi”; energía en un sólido en el que el número medio de partículas por estado cuántico es ½, es decir, la mitad de los estados cuánticos están ocupados. Igualmente podríamos hablar de la estadística de Fermi-Dirac.

El Fermio, de símbolo Fm, es un elemento transuránico radiactivo y metálico perteneciente a los actínidos; n.a. 100, número másico del isótopo más estable, 257 (vida media, 10 días). Se conocen diez isótopos. El elemento fue identificado por primera vez por A. Ghiorso y su equipo en los restos de la primera explosión de una bomba de hidrógeno en 1.952. El nombre, como es lógico deducir, es en honor de Enrico Fermi.

El fermión, partícula elemental (o estado ligado de partículas elementales, por ejemplo, un núcleo atómico o un átomo) con espín semientero, es decir, una partícula que obedece la estadística Fermi-Dirac, también lleva su nombre en honor a Fermi.

Fue uno de los grandes de la física teórica y experimental y de él son aquellas simpáticas anécdotas que se cuentan:

Alguien preguntó a Fermi por el nombre de unas partículas. «si yo supiera el nombre de todas las partículas habría sido botánico», contestó.

En relación a unos comentarios sobre la vida extraterrestre dijo, o más bien preguntó: «Si es verdad que existen civilizaciones inteligentes en otros planetas y que viajan por el espacio ¿Por qué no han visitado la Tierra?»

Bueno, si pudiera contestar a Fermi, le daría mil razones lógicas y técnicas del porqué no están aquí esos visitantes extraterrestres, sin embargo, sería necio pensar que no existen.

Fermión

Partícula elemental (o estado ligado a partículas elementales, por ejemplo un núcleo atómico o un átomo) con espín semientero; es decir, una partícula que obedece a la estadística de Fermi-Dirac.

Feynman, diagrama de

Los cálculos basados en teoría de perturbaciones usando “diagrama de Feynman” permiten obtener un acuerdo entre la teoría electrodinámica y los experimentos con una precisión mayor que una parte entre 10⁹. Debido a esto, QED (electrodinámica cuántica) es la teoría más precisa conocida en la ciencia física.

Aunque muchos de los efectos calculados en electrodinámica cuántica son muy pequeños (sobre 4×10^-6 eV), dicha separación en los niveles de energía en los espectros de los átomos son de gran importancia para demostrar la realidad física de las fluctuaciones y la polarización del estado de vacío. QED es una teoría gauge para el que el grupo gauge es abeliano.

Física

Ciencia que estudia las leyes que determinan la estructura del universo con referencia a la materia y la energía de la que está constituido. Se ocupa no de los cambios químicos que ocurren, sino de las fuerzas que existen entre los objetos y las interrelaciones entre la materia y la energía.

Tradicionalmente, el estudio se dividía en campos separados: calor, luz, sonido, electricidad y magnetismo y mecánica. Desde el siglo XX, sin embargo, la mecánica cuántica y la física relativista (Max Planck en 1.900 y Einstein en 1.905) han sido cada vez más importantes; el desarrollo de la física moderna ha estado acompañado del estudio en física atómica, física nuclear y física de partículas.

La física de los cuerpos astronómicos y sus interacciones recibe el nombre de astrofísica; la física de la Tierra se conoce como geofísica, y el estudio de los aspectos físicos de la biología se denomina biofísica, todo ello, en lo posible para cada apartado: en física teórica (sin límite de imaginación e ingenio) y física experimental para comprobar la otra (con el límite de un techo en energía y en tecnología).

La física clásica se refiere a la física anterior a la introducción del principio cuántico e incluye la mecánica newtoniana que consideraba la energía como un continuo. Es estrictamente causal, no como en la física cuántica, donde la energía no se transmite en un continuo sino en paquetes discretos llamados cuantos.

La física de partículas es la que se centra en el estudio de las más pequeñas estructuras conocidas de la materia y la energía: quarks y gluones, para formar protones, neutrones, partículas sigmas y omega menos (bariones) o kaones, piones, etc, (mesones) todos ellos hadrones. Y la familia de los leptones con los electrones, muones y partícula Tau; todas ellas con sus correspondientes neutrinos, con el fotón como partícula transmisora de la fuerza electromagnética. Las partículas W⁺, W^– y Z⁰ son los bosones vectoriales que transmiten la fuerza nuclear débil.

En solitario, sin querer hacer amistad con el resto de las fuerzas, tenemos la gravitatoria que está intermediada por una partícula llamada gravitón que aun no hemos podido detectar; es una hipótesis.

Fisión nuclear

Reacción nuclear en la que un núcleo pesado (como el uranio) se divide en dos partes (productos de fisión), emitiendo además dos o tres neutrones y liberando una cantidad de energía equivalente a la diferencia entre la masa en reposo de los neutrones y los productos de fisión y la masa del núcleo original.

La fisión puede ocurrir espontáneamente o como resultado del bombardeo con neutrones. Por ejemplo, la fisión de un núcleo de uranio-235 por un neutrón lento puede proceder como sigue:

²³⁵U + n → ¹⁴⁸La + ⁸⁵Br + 3n

La energía liberada es aproximadamente 3×10¹¹ J por núcleo de ²³⁵U. Para 1 Kg de ²³⁵U esto es equivalente a 20.000 megavatios hora: la cantidad de energía producida por la combustión de 3×10⁶ toneladas de carbón. La fisión nuclear es el proceso que ocurre en los reactores nucleares y en las bombas atómicas.

En realidad es una fuente de energía necesaria por las exigencias del mercado. Sin embargo, no es nada recomendable ni ecológica; sus radiaciones son muy nocivas para los seres vivos y sus residuos no son reciclables y difíciles de guardar, aparte del enorme coste económico. Hay que buscar otras fuentes de energía, sobre todo, la fusión nuclear, limpia y con residuos reciclables y no nocivos.

De momento, un sueño para el futuro (30 años).

Fon

Unidad de sonoridad que mide la intensidad de un sonido relativo a un tono de referencia de intensidad y frecuencia definida. El tono de referencia normalmente tiene una frecuencia de un Kilohertzio y una presión cuadrática media del sonido de 2×10^-5 pascales.

Si la intensidad del tono de referencia ha sido aumentada en n decibelios hasta conseguirlo (la medición), el sonido que esta siendo medido se dice que tiene una intensidad de n fons. Las escalas del decibelio y del fon no son idénticas, ya que la escala del fon es subjetiva y depende de la sensibilidad del oído para detectar cambios en la intensidad y la frecuencia.

Fondo, radiación de

Radiación ionizante de baja intensidad presente en la superficie de la Tierra y en la atmósfera como resultado de la radiación cósmica y la presencia de radioisótopos en las rocas terrestres, suelo y atmósfera.

Los radioisótopos son tanto naturales como resultado de la parada de centrales nucleares o gases residuales de centrales eléctricas.

La radiación de fondo debe tenerse en cuenta cuando se mide la radiación producida por una fuente específica.

Fonón

Cuanto de energía vibracional de la red cristalina que tiene una energía hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la vibración.

Los fonones son análogos a los cuantos de luz, es decir, los fotones.

El concepto de fonón es útil en el estudio de la conductividad térnica en los sólidos no metálicos y de la dependencia en la temperatura de la conductividad eléctrica de los metales (teniendo en cuenta las interacciones electrón-fonón).

Fósiles

Restos geológicos de lo que fueron seres vivos en el pasado.

Fotón

Partícula con masa en reposo nula consistente en un cuanto de radiación electromagnética. El fotón también puede ser considerado como una unidad de energía (hf, ver fonón).

Los fotones viajan a la velocidad de la luz. Son necesarios para explicar el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

Foucault, péndulo de

Péndulo simple en el que un peso unido a un largo cable es libre de oscilar en cualquier dirección. Como resultado de la rotación de la Tierra, el plano de oscilación del péndulo gira lentamente (en los polos de la Tierra completa una revolución cada 24 horas).

Fue inventado por el francés Jean Bernard León Foucault (1.819-1.868) en 1.851, cuando lo puso en la Torre Eiffel para demostrar la rotación de la Tierra.

Fraunhofer, líneas de

Líneas oscuras de un espectro.

Podríamos considerar aquí la difracción de Fraunhofer, en la que la fuerza de la luz y la pantalla receptora están en la práctica a distancia infinita del objeto difractante, de forma que los frentes de ondas se pueden considerar planos en vez de esféricos.

En la práctica utiliza haces paralelos de luz. Puede ser considerado como un caso extremo de la difracción de Fresnel, pero es más práctico para explicar los patrones producidos por una rendija o por muchas rendijas.

Fue estudiado por el óptico alemán Joseph von Franhofer (1.787-1.826).

Fuerza

De símbolo F. Agente que tiende a cambiar el momento de un cuerpo masivo, definido como una magnitud proporcional al ritmo de crecimiento del momento. Para un cuerpo de masa m que viaja a la velocidad v, el momento es mv.

En un sistema coherente de unidades, la fuerza está dada por F=d(mv)/dt. Si la masa es constante, F = mdv/dt = ma, donde a es la aceleración (ver leyes de movimiento de Newton).

La unidad del SI de fuerza es el Newton. Las fuerzas aparecen siempre en pares de acción y reaccionan iguales y opuestas entre los cuerpos, aunque a menudo es conveniente pensar en un cuerpo situado en un campo de fuerza.

Sobre las clases de fuerzas podríamos ocupar muchas de estas páginas: fuerza centrífuga, centrípeta, coerciva, contraelectromotriz, de cizalladura, de intercambio, electromotriz, iónica, etc. Sin embargo me limitaré a reflejar brevemente las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre cuerpos pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico, y juntas pueden explicar todas las fuerzas observadas que pueden ocurrir en el universo.

Fuerza electromagnética

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.

Igual que las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell.

La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

Fuerza gravitacional

La interacción gravitacional (unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética) es la más débil de todas. La fuerza que genera actúa entre todos los cuerpos que tienen masa, y la fuerza siempre es atractiva.

La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los cuerpos interaccionantes (Ley de Gravitación de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos.

En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos ya que, sin esta fuerza de la naturaleza, el universo sería un caos de estrellas, planetas y demás objetos cosmológicos vagando por el espacio, sin rumbo ni destino final que no fuera colisionar entre ellos.

Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein, que nos explica de manera clara y precisa como, en presencia de grandes masas como planetas, estrellas o galaxias entre otros, el espacio se curva alrededor de estas masas enormes y da lugar a lo que llamamos gravedad.

Por el momento no hay una teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar esa deseada teoría cuántica de la gravitación que sea consistente, además de unificar la gravedad con las demás fuerzas fundamentales.

Fuerza nuclear débil

Es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción electromagnética. Ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos.

En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios.

Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

Modelo Weinberg-Salam.

Fuerza nuclear fuerte

La interacción fuerte (la más potente de todas, es unas 10² veces mayor que la fuerza electromagnética) aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de la fuerza entre los nucleones que confiere a los núcleos de los átomos gran estabilidad, haciendo posible que se formen las células para constituir materia.

Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo; es tan corto su alcance que está en el orden de 10^{-15 metros y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales, los gluones. Esta fuerza es descrita por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.}

Fusión nuclear

Reacción nuclear en la que los núcleos atómicos de bajo número atómico se fusionan para formar núcleos pesados con la liberación de grandes cantidades de energía.

En las reacciones de fisión nuclear se utiliza un neutrón para romper un núcleo grande, pero en la fusión nuclear los dos núcleos reactivos tienen que ser hechos colisionar (dos protones que se fusionan).

Como ambos núcleos están positivamente cargados, hay una intensa fuerza repulsiva entre ellos que sólo puede ser superada si los núcleos reactivos tienen energías cinéticas muy altas. Estas altas energías implican temperaturas del orden de 10⁸ K.

Como la energía cinética requerida aumenta con la carga nuclear (es decir, el número atómico), las reacciones entre núcleos de bajo número atómico son las más fáciles de producir.

A estas elevadas temperaturas, sin embargo, las reacciones de fusión se automantienen: los reactivos a estas temperaturas están en forma de plasma (es decir, núcleos y electrones libres), con los núcleos poseyendo suficiente energía como para superar las fuerzas de repulsión electromagnéticas.

La fusión nuclear es la responsable del brillo de las estrellas; es allí, en sus inmensos hornos termonucleares situados en el núcleo, donde se produce la fusión nuclear que, por ejemplo, en estrellas medianas como nuestro Sol, fusionan cada segundo 4.654.000 toneladas de hidrógeno en 4.650.000 toneladas de helio. Las 4.000 toneladas restantes son enviadas al espacio en forma de luz y de calor y, en el caso concreto del Sol, una pequeña parte de esta luz y este calor, llega al planeta Tierra para hacer posible la vida.