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

Mach, principio de

Hipótesis de que la inercia de los objetos es el resultado, no de la relación con el espacio absoluto newtoniano, sino con el reposo de la masa y la energía distribuídas por todo el universo.

Aunque no demostrado, y quizás indemostrable, el principio de Mach inspiró a Einstein para la elaboración de su teoría general de la relatividad.

También le debemos atribuir a Ernest Mach (1.838-1.916) lo que se conoce como número de Mach, que está referido al cociente entre las velocidades relativas de un fluido y un cuerpo rígido y la velocidad del sonido en ese fluido bajo las mismas condiciones de temperatura y presión.

Si el número de Mach es mayor que uno, el fluido o cuerpo se mueve a velocidad supersónica. Si el número de Mach supera 5, se dice que es hipersónico.

Magnetón

Unidad para medir momentos magnéticos de imanes nucleares, atómicos o moleculares. El magnetón de Bohr, M_B, tiene el valor del momento magnético clásico del electrón, dado por:

M_B = eh/4πm_e = 9’274×10^-24 Am²

donde e y m_e son la carga y la masa del electrón y h es la constante de Planck.

El magnetón nuclear, M_N, se optiene reemplazando la masa del electrón por la masa del protón, y está dada por:

M_N = M_Bm_e/m_p = 5’05×10^-27 Am²

Masa

Medida de la cantidad de materia de un objeto.

La importancia de la masa en nuestro universo es tan grande que estoy obligado a dar una explicación algo más completa y precisa sobre ella.

Al decir masa nos estamos refiriendo también a la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración.

De acuerdo con las leyes de Newton del movimiento, si dos masas distintas m₁ y m₂ son hechas colisionar en ausencia de cualquier otra fuerza, ambas experimentan la misma fuerza de colisión. Si los dos cuerpos adquieren aceleraciones a₁ y a₂ como resultado de la colisión, entonces m₁a₁ = m₂a₂. Esta ecuación permite comparar dos masas. Si una de las masas se considera como una masa estándar, la masa de todas las demás puede ser medida comparándola con esta masa estándar. El cuerpo utilizado para este fin es un cilindro de un kilogramo de una aleación de platino iridio, llamado el estándar internacional de masa.

La masa definida de esta forma es llamada masa inercial del cuerpo.

Las masas también se pueden definir midiendo la fuerza gravitacional que producen. Por tanto, de acuerdo con la ley de gravitación de Newton,

m_g = Fd²/MG

donde M es la masa de un cuerpo estándar situado a una distancia d del cuerpo de masa m_g; F es la fuerza gravitacional entre ellos, y G es la constante gravitacional.

La masa definida de esta forma es la masa gravitacional. En el siglo XIX, Roland Eötvös (1.848-1.919) demostró experimentalmente que las masas inerciales y gravitatorias son indistinguibles, es decir,

m_i = m_g

Aunque la masa se define formalmente utilizando el concepto de inercia (Mach), es medida habitualmente por gravitación. El peso (W) de un cuerpo es la fuerza con que un cuerpo es atraído gravitacionalmente a la Tierra, corregida por el efecto de la rotación, y es igual al producto de la masa del cuerpo y la aceleración en caída libre (g), es decir, W=mg.

En el lenguaje común, el peso y la masa son frecuentemente usados como sinónimos; sin embargo, para fines científicos son muy diferentes. La masa es medida en kilogramos; el peso, siendo una fuerza, es medida en newtons. Es más, el peso depende de donde sea medido, porque el valor de g es distinto en diferentes puntos de la superficie de la Tierra. La masa, por el contrario, es constante donde quiera que se mida, sujeta a la teoría especial de la relatividad. De acuerdo con esta teoría, publicada por Albert Einstein en 1.905, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido total de energía. Por tanto, si la energía del cuerpo crece, por ejemplo por un aumento de su energía cinética o temperatura, entonces su masa también crece.

De acuerdo a esta ley, un incremento de energía ΔE está acompañado por un aumento de la masa Δm, en conformidad con la ecuación de masa-energía Δm = ΔE/c², donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, si un kilo de agua se eleva de temperatura en 100 K, su energía interna aumentará 4×10^-12 Kg. Este es, por supuesto, un incremente despreciable y la actuación de masa energía es sólo significativa para energías extremadamente altas. Por ejemplo, la masa de un electrón es siete veces mayor si se mueve con relación a un observador al 99% de la velocidad de la luz, c.

La masa relativista es la masa de un cuerpo medida por un observador con respecto al cual ese cuerpo se mueve (el electrón de antes). De acuerdo con la teoría de Einstein, esta masa está dada por:

m = m₀ / √(1-v²/c²)

donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista sólo difiere de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Si V=c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Sin olvidar que E=mc² (energía y masa es la misma cosa).

Máser

Acrónimo de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación), el equivalente en microondas del láser. En un máser la radiación de una frecuencia determinada hace que los átomos, iones o moléculas excitados de un gas, emitan más radiación en la misma dirección y de igual longitud de onda, dando lugar a una amplificación. Los máseres artificiales se utilizan en radioastronomía como amplificadores de algunos receptores sensibles. Los radioastrónomos también estudian fuentes máser cósmicas que aparecen de manera natural en el espacio.

Materia oscura

Empezaré hablando de materia no bariónica como una forma hipotética de materia que no contiene bariones, es decir, ni protones ni neutrones. Un ejemplo serían los átomos positrón-electrón que pueden constituir la mayor parte del universo en el futuro muy distante si los protones se desintegran.

La materia no bariónica ha sido propuesta como posible componente de materia perdida del universo. En este caso podría tratarse de neutrinos, si tuvieran masa en reposo no nula, o de partículas hipotéticas llamadas WIMPS (partículas masivas débilmente interaccionantes).

Pero la materia oscura, propiamente dicha, es un material cuya presencia puede ser inferida por sus efectos sobre los movimientos de las estrellas y galaxias, aunque no puede ser observada directamente debido a que emite poca o ninguna radiación; también conocida como materia perdida.

Se piensa que al menos el 90% de la masa del universo se encuentra en alguna forma de materia oscura. Existen evidencias de materia oscura en las galaxias espirales en sus curvas de rotación. La existencia de materia oscura en los cúmulos ricos de galaxias puede ser deducida por los movimientos de las galaxias constituyentes (teorema del virial).

Una parte significativa de esta materia oscura puede encontrarse en forma de estrellas poco masivas (marrones) u objetos con masa del orden de la de Júpiter; dicha materia normal se describe como bariónica.

También puede existir materia oscura en el espacio existente entre las galaxias, y podría hacer aumentar la densidad media del universo hasta la densidad crítica requerida para invertir la expansión actual.

Si la teoría del Big Bang es correcta, debe existir gran proporción de materia oscura en forma no bariónica, quizás axiones, fotinos o neutrinos masivos, supervivientes de las etapas tempranas del Big Bang.

A todo esto, nunca he oído que se pueda señalar esa materia oscura desconocida e indetectable, como en origen de toda ella a lo largo del universo, en los agujeros negros.

En realidad, nadie ha traspasado un horizonte de sucesos para visitar la singularidad de un agujero negro, allí donde la densidad y la energía son infinitos.

Si esa escandalosa densidad está ahí y produce una fuerza gravitatoria descomunal, entonces ¿por qué no pueden ser todos los agujeros negros del universo, los responsables de esa materia oscura que hace correr más a las galaxias mediante sus fuerzas gravitatorias conectadas las unas a las otras?

Materia oscura caliente. (Y fría).

Tipo particular de materia no bariónica que, de acuerdo con algunas teorías, fue creada en las primeras fases del Big Bang, y sobrevive hasta el presente en número suficiente como para contribuir de forma significativa a la densidad actual del universo.

El término caliente se refiere a que estas partículas se mueven rápidamente (a velocidades próximas a la de la luz), normalmente porque tienen una masa pequeña.

El candidato más favorable para dicha partícula (como mencionamos en el apartado anterior), es el neutrino, con una masa en reposo de unos 10 eV, que es 1/500.000 la masa del electrón.

Igualmente, en los mismos términos, nos podemos referir a la “materia oscura fría”.

El término “frío” se refiere a que estas partículas se mueven a velocidades mucho menores que la de la luz, normalmente porque son pesadas.

Hay muchos posibles candidatos de materia oscura fría; como axiones, fotinos y agujeros negros primordiales (de baja masa y surgidos en el universo temprano).

La materia oscura fría ha ayudado a resolver aparentemente – hasta hace poco – algunos de los problemas sobre formación de galaxias y estructura a gran escala del universo.

No obstante, observaciones más recientes sugieren que las versiones más simples de este modelo, no son conectas.

En definitiva, con todo esto, nos estamos refiriendo en realidad a una “masa perdida”, o “materia invisible” adicional cuyos efectos gravitatorios delatan su presencia, y que son necesarios para explicar las velocidades de rotación de las galaxias, y también para mantener a los cúmulos de galaxias unidos.

Sin la existencia de esta “materia invisible”, las velocidades de las galaxias serían distintas; la densidad del universo sería muy diferente y… quién sabe, seguramente las constantes universales serían otras, y… en tal caso, ¿estaríamos nosotros aquí?.

Está claro que el sueño de todos los astrónomos, astrofísicos y cosmólogos del mundo, sería descubrir qué es, dónde está, y cómo se produjo esa materia oscura que sabemos que existe en grandes cantidades y sin embargo, no la podemos ver.

¡De nuevo nuestra ignorancia!

Materialismo

Creencia de que los objetos materiales y sus interacciones constituyen la realidad completa de todos los fenómenos, inclusive los fenómenos aparentemente insustanciales, como los pensamientos y los sueños que en realidad, son el resultado de las conexiones eléctricas de nuestro cerebro, que siempre está activo, y aún en sueños, puede reflejar cuestiones de nuestra actividad cotidiana, de nuestros conocimientos, e incluso de ideas profundamente escondidas en la mente de cada uno de nosotros que aunque nos parezcan absurdos, en realidad relejan nuestras preocupaciones, nuestros miedos e incluso nuestras ilusiones.

En los seres vivos racionales, lo material y lo espiritual van estrechamente unidos; lo uno contiene lo otro, que evolucionado en una parte muy concreta (el cerebro), crea lo que llamamos alma, que en realidad no es otra cosa que la amalgama de conocimientos y sentimientos que atesoramos a lo largo de nuestras vidas.

Adquirir un nuevo conocimiento de las cosas, profundizar en el saber de algo, nos produce una gran satisfacción.

Lograr hacer feliz a la persona amada (aun a costa de nuestro sacrificio personal) es una gran satisfacción.

Si conseguir el conocimiento nos cuesta el esfuerzo de la búsqueda, del estudio, del experimento, etc, y dar lo que desea o necesita el ser amado también nos cuesta un alto precio, ¿es que acaso somos masoquistas? Nada de eso; es que los seres humanos desde los tiempos más remotos saben a ciencia cierta una cosa: la vida se nos da para pagarla, y todo en ella tiene su precio. El saber sí ocupa lugar (muchas horas, días, semanas, meses y años de estudio). Si queremos conservar a la persona que amamos, día a día tenemos que ganar su cariño; nada está asegurado.

Otra vez me ha pasado; sin que me de cuenta de ello, de un tema me puedo pasar a otro y seguir, seguir, seguir como aquellas pilas. Perdonen Uds.

Mecánica

Ciencia que estudia las interacciones entre la materia y las fuerzas que actúan sobre ella. La estática se ocupa de la acción de las fuerzas cuando no hay cambios en el momento, mientras que la dinámica se ocupa de los casos en los que sí hay cambios en el momento. La cinemática es el estudio de los movimientos de los cuerpos sin referencia a las fuerzas que afectan al movimiento.

Estas ciencias clásicas se ocupan de los cuerpos macroscópicos en el estado sólido, mientras que la mecánica de fluidos es la ciencia de las interacciones entre fuerzas y fluidos.

También tenemos otras ramas de la mecánica, pero aquí (física, astronomía, cosmología), procede explicar sólo algunas.

Mecánica cuántica

Sistema de mecánica desarrollada a partir de la teoría cuántica, que en el año 1.900 predijo Max Planck (posteriormente desarrollada por Werner Heisemberg, el mismo Einstein, Schrödinger, Bohr, Direc, Feynman y otros) y que es usada para explicar las propiedades y los fenómenos que están presentes en los átomos y moléculas de materia.

Usando el cuanto de energía como punto de partida, incorpora el principio de indeterminación de Heisemberg y la longitud de onda de De Broglie para establecer la dualidad onda-corpúsculo, en la cual está basada la ecuación de Schrödinger.

Esta forma de mecánica cuántica se llama mecánica ondulatoria. Un formalismo alternativo pero equivalente, es la mecánica matricial, basada en operadores matemáticos.

Einstein, basado en el trabajo de Planck sobre la radiacicón de cuerpo negro que se emitía por pequeños paquetes de energía de manera discontinua, a los que llamó cuantos, realizó uno de sus mejores trabajos y contribuciones a la ciencia, que todos conocen como “efecto fotoeléctrico”, en el que llamó fotón al cuanto de luz, y fue precisamente por este trabajo, publicado en 1.905, por el que le concedieron el premio Nobel de física (cosa que no todos conocen), en lugar de por su teoría relativista. Su efecto fotoeléctrico ocurre en las frecuencias ultravioletas o superiores, pero para algunos materiales (que tienen bajas funciones de trabajo) ocurre con luz.

La energía cinética máxima del foto-electrón, E_m, está dada por la ecuación de Einstein

E_m = hf – Φ

La mecánica matricial, como antes dije, es una variante de la mecánica cuántica pero usando matrices y constituyó la primera formulación de la mecánica cuántica (establecida por Werner Hesimberg en 1.925). Fue desarrollada por Heisemberg y Max Born y el físico alemán Pascual Jordan (1.902 – 1.980). Erwin Schrödinger demostró en 1.026 que era equivalente a la formulación de la mecánica ondulatoria de la mecánica cuántica en la que las partículas unas veces se comportan como ondas y otras veces como partículas.

Megapársec

Un millón de pársecs (10⁶ pc)

Mesones

Mirar hadrones.

MeV

Un millón de electrón-voltios (10⁶ eV)

Microondas

Radiación de radio con longitudes de onda de alrededor de 10^-4 a 1 metro, iguales a 10⁹ y 10¹³ hertzios.

Microondas de fondo

Referida a la radiación de fondo de microondas que inunda todo el universo como consecuencia de la Gran Explosión (Big Bang).

Es isótropa; es una emisión de radio de microondas proveniente de todas las direcciones y que corresponde a una curva de cuerpo negro. Sus propiedades coinciden con las predichas por la teoría del Big Bang, como habiendo sido generadas por fotones liberados del Big Bang cuando el universo tenía menos de un millón de años de antigüedad.

La teoría del Big Bang también supone la existencia de radiaciones de fondo de neutrinos y gravitatoria, aunque aún no existen los medios para detectarlas.

Cuando en casa ponemos la tele y no tenemos sintonizada ninguna emisora o canal, lo que aparece en la pantalla es lo que familiarmente llamamos nieve, que en realidad, es radiación de fondo de microondas captada por la antena de nuestra tele.

Minkowski, espacio de (continuo espacio-tiempo)

Geometría que incluye las tres dimensiones espaciales y una cuarta dimensión temporal. En física newtoniana, el espacio y el tiempo se consideraban como entidades separadas y el que los sucesos fueran simultaneos o no era materia que se consideraba como obvia para cualquier observador capacitado.

En el concepto de Einstein del universo físico, basado en el sistema de geometría inventado por H. Minkowski (1.864-1.909), el espacio y el tiempo estaban considerados como enlazados, de manera que dos observadores en movimiento relativo podían estar en desacuerdo sobre la simultaneidad de eventos distantes.

En la geometría de Minkowski, un suceso se considera como un punto de universo en un continuo de cuatro dimensiones.

H. Minkowski fue profesor de Einstein al que recordaba como el alumno vago y tarambana que no prestaba la atención debida en la clase. Sin embargo, cuando cayó en sus manos la publicación de la teoría de la relatividad especial, se dió cuenta al instante de que el universo tenía cuatro dimensiones, tres de espacio y una temporal, que le inspiró su geometría del espacio-tiempo.

Molécula

Parte más pequeña de un compuesto, estando una sustancia formada por la combinación química de uno o más tipos de átomos. Por ejemplo, el agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno; por tanto, tiene la molécula H₂O.

Los átomos que conforman la molécula están unidos por las interacciones de sus electrones.

Momento angular

El producto de una masa por la velocidad angular de un objeto en rotación; similar al momento lineal.

En la mecánica cuántica, el momento angular está cuantizado, es decir, se mide en unidades indivisibles equivalentes a la constante de Planck, h, dividida por 2π.

Monopolo magnético

Entidad magnética hipotética consistente en un polo norte o sur elemental aislado. Ha sido postulado como una fuente de campo magnético en analogía a la forma en que las partículas eléctricamente cargadas producen un campo eléctrico.

Se han diseñado numerosos experimentos ingeniosos para detectar los monopolos, pero hasta ahora, ninguno ha producido un resultado definitivo.

Los monopolos magnéticos son prácticos, y han sido predichos en ciertas teorías gauge con bosones de Higgs. En particular, algunas teorías de unificación y gran unificación predicen monopolos muy pesados (con masas del orden de 10¹⁶ GeV).

Los monopolos magnéticos también son predichos en las teorías de Kaluza-Klein, y en la teoría de supercuerdas.

Muón

Partícula de la familia de los leptones.

El muón es una copia exacta del electrón, excepto que es 207 veces más pesado que este.