¡Las constantes de la naturaleza!

Dan al universo su carácter distintivo y lo hace singular, distinto a otros que podría nuestra imaginación inventar. Estos números misteriosos, a la vez que dejan al descubierto nuestros conocimientos, también dejan al desnudo nuestra enorme ignorancia sobre el universo que nos acoge. Las medimos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invarianza; no podemos explicar sus valores.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los secretos del electrón (e), de la luz (c) y del cuanto de acción (h). Hemos descubierto otros nuevos, hemos relacionado los viejos y hemos entendido su papel crucial para hacer que las cosas sean como son, pero la razón de sus valores sigue siendo un secreto profundamente escondido.

Buscar esos secretos ocultos implica que necesitamos desentrañar la teoría más profunda de todas y la más fundamental de las leyes de la naturaleza: descubrir si las constantes de la naturaleza que las definen están determinadas y conformadas por alguna consistencia lógica superior o si, por el contrario, sigue existiendo un papel para el azar.

Si estudiamos atentamente las constantes de la naturaleza nos encontramos con una situación muy peculiar. Mientras parece que ciertas constantes estuvieran fijadas, otras tienen espacio para ser distintas de las que son, y algunas no parecen afectadas por ninguna otra cosa del ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­– o en el – universo.

[?]

Diversidad de ideas

Me gusta escribir sin tener un objetivo predeterminado y hacer un vuelo rasante sobre la física para escribir todo lo que estoy viendo (lo que sin llamarlo, acude a mi mente en cada instante). Es un buen ejercicio de repaso de cosas diversas que recuerdas. Por ejemplo, ahora mismo me llega la idea de que, desde la más remota antigüedad nos viene fascinando los fenómenos ópticos. De hecho, los estudios encaminados a desvelar la naturaleza de la luz han sido uno de los motores más fructíferos de la física. A ello se dedica la óptica, hoy día una de las áreas más activas de la física.

Buena prueba de ello es la rápida sucesión de Premios Nobel en ese campo en años recientes: 1.997, 2.001 y 2.005. La mitad del último premio fue a manos de Roy J. Glauber, de la Universidad de Harvard, “por sus contribuciones a la teoría cuántica de la coherencia óptica“. Estas contribuciones se recogen esencialmente en tres artículos publicados en 1.963 (se lo reconocen en 2.005). Sobre ellas se ha desarrollado la óptica cuántica. En la luz se apreció por primera vez la naturaleza dual onda-partícula de los objetos cuánticos.

[?]

No es fácil adentrarse en este universo de lo definitivamente pequeño, o incluso hablar de ello, exige un conocimiento muy profundo de las leyes de la naturaleza que rigen el mundo y que no tenemos. Las fuerzas que encontramos allí determinan la forma en la cual se mueven las partículas pequeñísimas y también le dan sus propiedades por medio de unos mecanismos que no siempre llegamos a comprender.

Muchos, diciendo que “saben” buscan refugio en un galimatías matemático que pocas personas “normales” pueden entender a menos que sea uno de ellos, y, sin embargo, para apreciar realmente la solidez de la lógica de las leyes físicas, no se pueden evitar las matemáticas que es, el único lenguaje que pueden explicar aquello que no podemos decir con palabras. Desde siempre, he tratado de hablar de la Física como si de cualquier otra disciplina se tratara y, he procurado soslayar ecuaciones, teoremas y funciones modulares que aterran al lector no versado y, desde luego, no siempre he conseguido transmitir lo que quería decir.

[?]

El Estudio de nuestro Sol, que es de suma importancia para nosotros. Existe también un programa que está basado en la inteligencia artificial, llamado Teofrasto y que ha sido desarrollado por el Laboratorio del Ambiente Espacial en Colorado (SESC) y que se basa en la clasificación de McIntosh, efectuando evaluaciones más complejas.

Primera a la izquierda:The MDI (Michelson Doppler Imager). La imagen aquí mostrada se tomó en el continuo cerca el NiI 6768 Angstroms de línea. Los aspectos solares más destacados son los “sunspots” sobre la fotosfera solar. Esta indica la apariencia del Sol en la gama visible del espectro (por ejemplo, usando filtros especiales: Recuerde, no mirar jamás directamente el Sol!).

Imagenes “verde”, “azul” y “naranja”: EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope) las imágenes de la atmósfera solar en varias longitudes de onda, y por lo tanto, muestra material solar a temperaturas diferentes.

*LASCO (Large Angle Spectrometric Coronagraph), es capaz de tomar imágenes de la corona solar bloqueando la luz que viene directamente desde el Sol con un disco de ocultación, creando un eclipse artificial dentro del instrumento en sí mismo. La posición del disco solar se indica en las imágenes por el círculo blanco. El aspecto más destacado de la corona son comúnmente las banderolas coronales, esas bandas aproximadamente radiales que pueden verse en ambas tomas (C2 y C3). Ocasionalmente, se puede ver una expulsión masiva siendo expulsada lejos del Sol y cruzar los campos de vista de ambos coronógrafos. La sombra que cruza desde el rincón izquierdo inferior al centro de la imagen es el apoyo para el disco de ocultación.

Pero, vayamos al  Interior del Sol:

Hoy en día, disponemos de dos herramientas muy potentes para el estudio del interior solar: Los neutrinos solares y la heliosismología. Bethe y Chitchfield (1938) propusieron un ciclo de reacciones de fusión nuclear para explicar la generación de energía en el caso de estrellas de masa pequeña como el Sol. El balance final de dicho ciclo de reacciones,  Ciclo p-p, es:

4p → He4 + 2e⁺ +2ѵ_e +energía.

¿Cómo podemos estar seguros de que este es, efectivamente, el mecanismo dominante de generación de energía que utilizan algunas estrellas y, en particular el Sol? Sorprendentemente, la respuesta es que podemos “observar” el interior del Sol mediante detectores situados en el interior de la Tierra.

La heliosismología permite el estudio del interior solar a partir de las observaciones de ondas acústicas y de gravedad. Leighton  et al. (1962) descubrieron que el Sol tiene oscilaciones globales con un período de 5 minutos.  Ulrich (1970) y Leibacher et al (1971) propusieron explicar las oscilaciones en términos de ondas sonaras atrapadas en cavidades resonantes debajo de la superficie solar. Esta teoría fue comprobada observacionalmente por Deubner (1975), y de dichas oscilaciones acústicas (modos p) pueden detectarse numerosos armónicos. Los diferentes armónicos  a menor o mayor  profundidad en el Sol y permiten realizar un sondeo sísmico del interior solar.

Experimentos como GOLF y VIRGO, a bordo del satélite SOHO, permiten observar modos de oscilación que penetran hasta el núcleo y allí podemos comprobar muchas cosas como temperatura, composición química, y, parámetros desconocidos hasta ahora como la abundancia de Helio, se puede constatar que la rotación solar produce una separación de frecuencias y, si se determina observacionalmente esta separación, se puede obtener el perfil de rotación  del interior solar dependiente de la profundidad y de la latitud. Los resultados sugieren que el núcleo solar, a partir de 0,3 radios solares, rota rígidamente con la zona radiativa con un período de 26,6 días, y que en la base de la zona de convección, situada a 0,693 radios solares, existe una fuerte transición de rotación rígida a rotación diferencial. A esta capa de transición de rotación se la denomina la tococlina y su espesor es aproximadamente 0,04 radios solares.

La estructura física de la tococlina parece ser clave para entender la dinamo solar y la generación de los campos magnéticos responsables de la actividad solar. Además de los modos p, se sospecha que en el núcleo solar existen también ondas de gravedad (modos g) cuyo interés radica en que, si son detectadas, pueden utilizarse para sondear el núcleo del Sol por debajo de o,2 radios solares.

Recientemente han sido analizados 10 años de observaciones de GOLF y sugieren que sus resultados son compatibles con la presencia de modos gravitatorios y de un núcleo que por debajo de 0,15 radios solares posee una velocidad de rotación cinco veces mayor que la de la zona radiativa.

Por otra parte, la heliosismología local permite detectar, debajo de las manchas solares y de las regiones activas, desviaciones de velocidad del sonido. Ello nos permite obtener información  sobre la magnetoconvección y la existencia de flujos a gran escala asociados, en general, a la dinamo solar. Las perturbaciones de la velocidad del sonido pueden ser usadas incluso para sondear la cara opuesta del Sol y obtener información acerca de regiones activas no observables directamente.

Esta claro que poco a poco, los misterios del Sol nos están siendo desvelados por los ingenios que a tal efecto se están diseñando y, a partir de ahora, la información observacional proporcionada por nuevos instrumentos como el que hoy protagoniza el artículo serán asombrosos. (Telescopios  ATST, y EST) y en el espacio (hinode, STEREO, Solar Dinamic Observatory, Solar Orbiter), combinada con nuevos desarrollos teóricos y mejores herramientas computacionales que analicen los datos de nuevas sondas, nos permitirán  avanzar en la resolución de algunos de los problemas pendientes, tales como el funcionamiento de la dinamo solar, el calentamiento coronal, la formación, evolución y desaparición de las protuberancias solares, y obtener un conocimiento más profundo de nuestro Sol que, al fin y al cabo, es el que hace posible la vida aquí en este planeta que llamamos Tierra.

[?]

Decimos que masa es la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración. También hablamos de masa atómica relativa, de masa crítica, de masa en reposo, gravitacional , inercial, masa molecular relativa, icluso hablamos de masa relativista que es la masa de un cuerpo medida por un observador con respecto al cual ese cuerpom se mueve. De acuerdo con la teoría especial de la relatividad, la masa m de un cuerpo moviendose a velocidad v está dada por m = m₀/√(1 – v²/ c², donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocida de la luz. La masa relativista sólo difiere significativamente 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.

Pero veámos otras fasetas de la masa que son altamente interesantes.

Einstein en su teoría de la relatividad especial de 1.905, nos decía que en nuestro universo nada puede ir más rápido que la luz. También nos dejó dicho que masa y energía don dos aspectos de una misma cosa. Que la materia se puede convertir en energía (ahí está la bomba atómica como demostración) pero, ¿es posible hacer lo contrario y convertir energía en materia?

Sí sería posible convertir energía en materia, pero hacerlo en grandes cantidades resulta poco práctico. Veamos por qué.

Según la teoría de Einstein, tenemos que e = mc², donde e representa la energía, medida en ergios, m representa la masa, medida en gramos, y c es la velocidad de la luz en centímetros por segundo.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad aproximada a los 30.000 millones (3×10¹⁰) de centímetros por segundo. La cantidad c² representa el producto c×c, es decir:

3×10¹⁰ × 3×10¹⁰, ó 9×10²⁰.

Por tanto, c² es igual a 900.000.000.000.000.000.000.

Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría, en 9×10²⁰ ergios de energía.

[?]