Sin la Física no sabríamos nada

Aunque algunos colaboren poco, el avance es irreversible, el conocimiento es insaciable, siempre quiere más y empujado continuamente por la curiosidad prosigue su camino incansable para abrir puertas cerradas que tienen las respuestas que necesitamos para seguir avanzando.

Si calentamos gases de oxígeno e hidrógeno por encima de 3.000° K hasta que se descomponen los átomos de hidrógeno y oxígeno, los electrones se separan de los núcleos y tenemos ahora un plasma (un gas ionizado a menudo llamado el cuarto estado de la materia (después de los gases, líquidos y sólidos).  Aunque un plasma no forma parte de la experiencia común, podemos verlo cada vez que miramos al Sol.  De hecho, el plasma es el estado más común de la materia en el Universo.

Sigamos ahora calentando el plasma hasta 1.000 millones de grados K elvin, hasta que los núcleos de hidrógeno y oxígeno se descomponen, y tenemos un “gas” de neutrones y protones individuales, similar al interior de una estrella de neutrones.

Si calentamos aun más el gas de nucleones hasta 10.000 millones grados K, estas partículas subatómicas se convertirían irremisiblemente en quarks disociados.  Ahora tenemos un gas de quarks y leptones (los electrones y neutrinos).

Está claro que, si calentamos este gas de quarks y leptones, aún más, la fuerza electromagnética y electrodébil se unen.  Aparecen simetrías antes ausentes y las fuerzas electrodébil y fuerte se unifican y, aparecen las simetrías superiores GUT [SU (S), 0 (10), 0 E (6)].

Finalmente, a la fabulosa temperatura de 10³²K, la gravedad se unifica con la fuerza GUT, y aparecen todas las simetrías de la supercuerda decadimensional.

Hemos vuelto, con el proceso descrito, a la situación reinante en los primeros instantes del Big Bang, la simetría era total y existía una sola fuerza.  Más tarde,  el Universo recién nacido y en expansión, comenzó a enfriarse, la simetría se rompió para crear las cuatro fuerzas de la Naturaleza que hoy nos gobiernan y lo que, al principio eran quarks sueltos que formaban un plasma opaco, se juntaron para formar protones y neutrones que unidos, crearon los núcleos que al ser rodeados por los electrones conformaron los átomos que más tarde creó la materia tal como ahora la conocemos, haciendo el Universo transparente y apareciendo la luz.

Todo éste relato anterior, no es gratuito, lo expongo como una muestra de cómo pueden evolucionar las cosas de acuerdo a las condiciones reinantes y a los hechos y circunstancias que concurran.   He contado lo que sucedería a un poco de agua que se calienta de manera continua.  Pasa por todos los procesos de su evolución hacia atrás hasta llegar a lo que fue en origen: quarks y leptones.

De la misma manera, nuestra civilización, no puede dejar de avanzar en el conocimiento a medida que va pasando el tiempo.  Nuestras necesidades (cada vez más exigentes), nos llevan a inventar nuevas tecnologías y a producir artículos de consumo más y más sofisticados que hacen más fácil y cómoda la vida, eliminan las distancias, acercan las conexiones y globaliza el mundo.

Ahora se habla de operaciones delicadas que se realizan sin ningún riesgo mediante láseres que están planificados por ordenador para intervenir con precisión milimétrica.  Se avanza en lo que denominamos nanotecnología, una maravilla de artilugios microscópicos que permitirá (entre otras muchas cuestiones), colocar un fármaco en el lugar exacto de nuestro organismo, el dañado, evitando así (como ocurre ahora) que partes sanas de nuestro cuerpo soporte fármacos que ingerimos para curar partes dañadas pero que, no podemos evitar que incida de manera generalizada en todas partes.  Podemos investigar en computación cuántica (teoría cuántica de la luz) que permitirá la revolución tecnológica de crear y transmitir información y crear ordenadores que permitirán cálculos a velocidades ahora imposibles en ordenadores de plasma (Juan Ignacio Cirac, físico español de 41 años, director del Departamento de teoría del Instituto Max Planck, es el autor y responsable de estos estudios).  Se investiga en la energía de fusión que estará lista para cuando en los próximos cincuenta años sea difícil extraer gas y petróleo pueda suministrar la demanda mundial que está en aumento creciente.

El que tenga la fortuna de vivir a finales de este siglo XXI y a comienzos del XXII, podrá disfrutar de maravillas ahora impensables.  A mediados del siglo XXII, por ejemplo, comenzará a ser utilizado otro medio de transporte que, poco a poco, desbancará al automóvil terrestre que ahora abarrotan las calles y carreteras.

Para desplazarnos por la ciudad, por las calles, tendremos aceras móviles que nos llevaran a cualquier parte.  Traslados más rápidos serán cosa de vagones subterráneos o de naves voladores que suplirán a los coches y desterrarán, casi por completo, los accidentes de tráfico que nuestro sistema actual de transporte nos hace padecer.

También en los desplazamientos largos se verá un cambio radical.  Modernas naves súper-rápidas nos llevarán de un continente a otros lejanos en la décima fracción de tiempo que emplean los actuales aviones.

La carrera espacial, en el 2.250, será un hecho tangible y, modernas naves tripuladas cruzaran el vacío estelar de nuestro sistema solar visitando las colonias terrestres de Marte, Europa, Titán, Ganímedes o en las minas de Azufre de Io.

Para entonces, modernas naves surcarán el espacio exterior camino de estrellas lejanas, ocupadas por sofisticados robots que irán enviando al planeta Tierra datos y fotografías del cosmos que permitirá confeccionar rutas y mapas para próximos viajes tripulados en aeronaves espaciales que utilizaran nuevas técnicas de desplazamiento basada en la curvatura del espaciotiempo que, permitirá por vez primera, vencer o mejor burlar la barrera de la velocidad de la luz sin traspasarla.

La luz

La luz es importante en nuestras vidas, tan importante que hasta hemos inventado luz artificial para alumbrar nuestras casas y ciudades y escapar de la fea oscuridad.  Es una forma de radiación electromagnética a la que el ojo humano es sensible y sobre la cual depende nuestra consciencia visual del universo y sus contenidos.

La velocidad finita de la luz fue sospechada por muchos experimentadores en óptica, pero fue establecida en 1.676, cuando O. Roemer (1.644 – 1.710) la midió.  Sir Isaac Newton (1.642 – 1.727) investigó el espectro óptico y utilizó los conocimientos existentes para establecer una primera teoría corpuscular de la luz, en la que era considerada como un chorro de partículas que provocaban perturbaciones en el “éter” del espacio.

Sus sucesores adoptaron los corpúsculos, pero ignoraron las perturbaciones con forma de onda hasta que Thomas Young (1.773-1.829) redes cubrió la interferencia de la luz en 1.801 y mostró que una teoría ondulatoria era esencial para interpretar este tipo de fenómenos.  Este punto de vista fue adoptado durante la mayor parte del siglo XIX y permitió a James Clerk Maxwell (1.831-1.879) mostrar que la luz forma parte del espectro electromagnético.   En 1.905, Albert Einstein (1.879 -1.955) demostró que el efecto fotoeléctrico sólo podía ser explicado con la hipótesis de que la luz consiste en un chorro de fotones de energía electromagnética discretos, esto es, pequeños paquetes de luz que él llamó fotones y que Max Planck llamó cuanto. Este renovado conflicto entre las teorías ondulatoria y corpuscular fue gradualmente resuelto con la evolución de la teoría cuántica y la mecánica ondulatoria.   Aunque no es fácil construir un modelo que tenga características ondulatorias y cospusculares, es aceptado, de acuerdo con la teoría de Bohr de la complementariedad, que en algunos experimentos la luz parecerá tener naturaleza ondulatoria, mientras que en otros parecerá tener naturaleza corpuscular.  Durante el transcurso de la evolución de la mecánica ondulatoria también ha sido evidente que los electrones y otras partículas elementales tienen propiedades de partícula y onda.

El fotón es una partícula con masa en reposo nula consistente en un cuanto de radiación electromagnética (cuanto de luz).  El fotón también puede ser considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de radiación en hertzios.  Los fotones viajan a la velocidad de la luz, es decir, a 299.792.458 metros por segundo.  Son necesarios para explicar (como dijo Einstein) el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula unas veces y de onda otras.

El conocimiento de la luz (los fotones), ha permitido a la Humanidad avances muy considerables en electrónica que, al sustituir los electrones por fotones (fotónica) se han construido dispositivos de transmisión, modulación, reflexión, refracción, amplificación, detección y guía de la luz.  Algunos ejemplos son los láseres y las fibras ópticas.   La fotónica es muy utilizada en telecomunicaciones, en operaciones quirúrgicas por láseres, en armas de potentes rayos láser y….  en el futuro, en motores fotónicos que, sin contaminación, moverán nuestras naves a velocidades súper-lumínicas.

El electrón, otra partícula elemental importantísima para todos nosotros y para el Universo mismo, está clasificado en la familia de los Leptones, con una masa en reposo (símbolo m) de notación numérica igual a 9,109 3897 (54) x10^-31Kg y una carga negativa de notación numérica igual a 1, 602 177 33 (49) x10^-19 culombios.  Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.  La antipartícula del electrón es el positrón cuya existencia fue predicha por el físico Paúl Dirac.  El positrón es un hermano Gemelo del electrón, a excepción de la carga que es positiva.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico Joseph John Thomson (1.856 – 1.940).  El problema de la estructura (si es que la hay) del electrón no está resuelto, nuestras máquinas no tienen la potencia suficiente para poder llegar, en el micromundo, a distancias infinitesimales de ese calibre.  Si el electrón se considera como una carga puntual su auto energía es infinita y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio л_oi llamado el radio clásico del electrón, dado por r_o = e²/ (mc²) = 2,82×10^-13cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz.  Este modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.*

Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.

El electrón es uno de los miembros de la familia de Leptones: electrón (e), muón (μ), tau (τ); con sus neutrinos asociados.

Las tres partículas, electrón, muón y tau, son exactas, excepto en sus  masas.  El muón es 200 veces más masivo que el electrón.  La partícula tau es unas 35.600 veces más masiva que el electrón.  Los leptones interaccionan por la fuerza electromagnética y la interacción débil.  Para cada leptón hay una antipartícula equivalente de carga opuesta (como explicamos ante el positrón es la antipartícula del leptón electrón).   Los antineutrinos, como los neutrinos, no tienen carga.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan las estructuras atómicas, las 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 (probar con imanes como las fuerzas desiguales y contrarias – positiva/negativa – se atraen, mientras que cargas iguales – negativa/negativa o positiva/positiva – se repelen).

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 fotones virtuales.  Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell.  La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describen (como antes dije) con la electrodinámica cuántica.  Esta fuerza tiene una partícula portadora, el fotón.

Todos oímos con frecuencia la palabra “electrónica”, pero, pocos pensamos que estamos hablando de electrones en diseños de dispositivos de control, comunicación, y computación, basándose en el movimiento de los electrones en circuitos que contienen semiconductores, válvulas termoiónicas, resistencias, condensadores y bobinas y, en la electrónica cuántica* aplicada a la óptica, se han conseguido verdaderas maravillas que han facilitado grandes avances tecnológicos  de distintas aplicaciones como la investigación o la medicina y la cirugía, entre otros.

Este pequeño comentario sobre la electrónica y la fotónica que antes habéis leído, demuestra como el conocimiento y el dominio sobre estos dos pequeñísimos objetos, el FOTÓN y el ELECTRÓN, nos ha dado unos beneficios increíbles.

Existen otras partículas aún más diminutas que, en realidad, podríamos decir que son los auténticos ladrillos de la materia, los objetos más pequeños que la conforman: los quarks.

En la antigua Grecia, sabios como Demócrito, Empédocles,  Thales de Mileto o Aristóteles, ya sospecharon de la existencia de pequeños objetos que se unían para formar materia.  Demócrito de Abdera decía que todo estaba formado por pequeños objetos invisibles e indivisibles a los que llamaba a-tomo o átomos (en griego significa “indivisibles”).

Pasaron muchos años de controversia sobre la existencia de los átomos y, en 1803, el químico y físico británico John Dalton señaló que los compuestos físicos se combinaban para, en ciertas proporciones, formar agrupamiento de átomos para formar unidades llamadas moléculas.

En 1.905,  llegó Einstein para dar una de las evidencias físicas más importante de la existencia de los átomos, al señalar que, el fenómeno conocido como movimiento browniano – el movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido – podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las partículas de polvo.

Por aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran, después de todo, indivisibles.  Hacía varios años que J. J.Thomson, de Cambridge, había demostrado la existencia de una partícula material, el electrón, que tenía una masa menor que la milésima parte de la masa del átomo más ligero.  Se comprendió que estos electrones debían provenir de los átomos en sí.  Y, en 1.911, el físico británico Ernest Rutherford mostró, finalmente, que los átomos de la materia tienen verdaderamente una estructura interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga positiva, alrededor del cual gira un cierto número de electrones.

En 1.932, un colega de Rutherford, James Chadwick, descubrió también en Cambridge que el núcleo contenía otras partículas, llamadas neutrones, que tenían casi la misma masa del protón que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón que es negativa, con lo cual, como todos los núcleos tienen el mismo número de protones que de electrones hay en el átomo, el equilibrio de éste queda así explicado: carga positiva similar a carga negativa = a estabilidad en el átomo.

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos, eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell-Mann, que ganó el Nóbel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“Juerga”)

Existen un cierto número de quarks: p (arriba), down (abajo), strange (extraño), charmed (encanto), bottom (fondo) y top (cima).

Los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no paseen ningún color en el sentido normal de la palabra.  Así, los colores que le asignan los físicos están referidos a cuestiones imaginativas para nombrar a las nuevas partículas a las que asignar colores entre el rojo, verde y azul.

Ahora sabemos que un protón y un neutrón están constituidos por quarks, uno de cada color.  Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up.  Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, botton y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles.  La cuestión que se nos plantea es:

“¿cuales son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas, desde una gota de roció, a una rosa, pasando por nosotros mismos o una inmensa galaxia?”

Pero eso sí, tengo muy clara una cuestión:

Después de lo anteriormente explicado está claro que, tenemos que dominar lo muy pequeño para poder dominar lo muy grande.

El dominio (relativo) del Universo atómico, como hemos visto antes, nos ha reportado grandes beneficios.  Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer.

El Modelo Estándar de la Física, nos explica (con sus defectos) las partículas elementales que conforman la materia: quarks, hadrones, leptones, etc.  También nos explica las fuerzas que interaccionan con estas partículas: La nuclear fuerte y la débil, el electromagnetismo y la Gravedad.

emilio silvera

* Fuerzas no eléctricas postuladas para dar estabilidad a un modelo del electrón, evitando las dificultades que surgen al postular el electrón como una carga puntual, diciendo así que el electrón es una, distribución de carga de radio no nulo.  Aquí entra en Tensión de Poincaré. Volver

* Fotónica. Volver

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