En los últimos años se han desarrollado materiales que, debido a su estructura nanométrica, presentan nuevas propiedades, y por tanto tienen aplicaciones en campos tan diversos como son la transmisión de información mediante luz, el almacenamiento de datos, la generación y el transporte de energía eléctrica, la síntesis de catalizadores, la elaboración de textiles más resistentes, o la implantación de nuevos implantes óseos.

El gran número de nuevos materiales y dispositivos demostradores que se han desarrollado en estos años ha sido fruto, por un lado del desarrollo de sofisticadas técnicas de síntesis, caracterización y manipulación que se han puesto a punto y, por otro, del gran avance en los métodos de computación en la nanoescala (técnicas ab-initio, dinámica molecular, etc.) que se han probado en las grandes instalaciones dedicadas al cálculo científico de altas prestaciones. Es precisamente la combinación de experimentos punteros con métodos teóricos precisos un elemento esencial para comprender un gran número de procesos y mecanismos que operan en la nanoescala. En concreto, una de las aportaciones teóricas más importantes al desarrollo de la Nanotecnología ha llegado de la mano de la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT, en sus siglas en inglés) por la que en 1998 Walter Kohn recibió el Premio Nobel en Química, compartido  con John A. Pople, “padre” de la Química Cuántica. Con respecto al desarrollo experimental, cabe resaltar el alto grado de desarrollo de las técnicas SPM para ver y manipular la materia a escala nanométrica en multitud de ambientes diferentes (ultra alto vacío, humedad controlada, celdas catalíticas, temperaturas variables,…). Esta capacidad nos ha permitido diseñar nuevos experimentos con los que comprender el comportamiento de nuevos materiales y dispositivos. Dado la gran variedad de materiales y sus  aplicaciones, es imposible en un artículo presentar una visión completa de la situación de la Nanotecnología, por lo que nos vamos a limitar a presentar algunos ejemplos que ilustran el estado actual de este campo.

Hacia la electrónica molecular: Electrónica molécular de espín. Representación del dispositivo compuesto por una isla base de cobalto sobre la que se deposita una sola molécula de …

Debido a su tamaño nanométrico, las estructuras moleculares pueden poner de manifiesto nuevas propiedades electrónicas. Sin embargo, la necesidad de poder producir estructuras nanométricas de forma masiva, tal y como requieren las aplicaciones industriales hace que la manipulación individual de nano-objetos como las moléculas pase a un segundo plano, requiriéndose alternativas más útiles para incorporar la Nanotecnología a los procesos de fabricación. Por esta razón, en los últimos años se están estudiando profusamente  las condiciones de formación y las propiedades de capas autoensambladas de diferentes moléculas orgánicas sobre superficies.

ampliación del anterior, con el agregado de la molécula de piridina,a modo de explicación en el dibujo, toda la molécula (las 6 moléculas de piridina mas el átomo de cobalto)es una supramolecula.

En estos casos la superficie no sólo proporciona un soporte, sino que posee un papel activo en la formación de diferentes patrones moleculares en dos dimensiones. Así, la posibilidad de generar sistemas autoensamblados de moléculas con propiedades bien definidas y dirigidas hacia la realización de funciones concretas abre un camino para cambiar desde el imperante paradigma del silicio en la electrónica hacia otro basado en la electrónica molecular. Este nuevo paradigma será mucho más rico por la gran diversidad de componentes moleculares que pueden entrar en juego. Entre los componentes prometedores para la Nanotecnología, que están relacionados con las moléculas orgánicas, y que habrá que tener en cuenta en el futuro de la microelectrónica, estarán los fullerenos, los nanotubos de carbono y el grafeno, de los que hablamos a continuación.

                                  Los fullerenos o “bucky-balls”

Con este nombre se denomina al conjunto de distintas moléculas cerradas sobre sí mismas con formulación. El más conocido, por lo estable y abundante en naturaleza es el llamado Cn. El más conocido, por lo estable y abundante en la Naturaleza es el llamado C₆₀, que está formado por 12 pentágonos y 20 exágonos, dispuestos como en un balón de futbol. Las aplicaciones Nanotecnológicas que se pueden derivar del uso de esta molécula están todavía en fase de estudio y son muy variadas. Sin embargo, aunque actualmente no existen aplicaciones concretas ya se han sintetizado más de mil nuevas moléculas basadas en fullereno y hay más de cien patentes internacionales registradas. El carácter rectificador de los fullerenos les hace atractivos para su uso en electrónica molecular.

La formación de este tipo de estructuras se produce más fácilmente de lo que podemos imaginar, pues son uno de los principales integrantes de la carbonilla y se generan abundantemente en cualquier combustión. Sin embargo, a día de hoy uno de los principales problemas para su utilización es el de conseguir una síntesis controlada de fullereno. Esto requiere complicadas técnicas, tales como la vaporización del grafito o la pirolisis láser, que normalmente producen exclusivamente los fullerenos más estables. Recientemente se ha propuesto un nuevo método para conseguirlo basado en principios “nano”.

La paridad es la simetría de Alicia en el país de las maravillas a través del espejo. La simetría P de una ley física indica que dicha ley es invariante si …

Se trata de partir de una molécula precursora sintetizada de forma tal que sea como un fullereno abierto, con los enlaces rotos saturados por hidrógeno. Esta molécula se puede plegar sobre sí misma mediante una transformación topológica de manera que de lugar a un fullereno. Se trata de partir de una estructura plana (un recortable) para posteriormente ensamblar un objeto en tres dimensiones. Este plegado se consigue mediante un proceso des-hidrogenación catalizada por una superficie. Una vez que la molécula plana ha perdido estos hidrógenos se cierran sobre sí misma de forma expontánea formando un fullereno.

Este proceso se ha podido seguir, entre otras técnicas, mediante imágenes de microscopía túnel in-situ. Los mecanismos existentes en el proceso se pueden entender gracias a los cálculos ab-initio que apoyan la investigación experimental. Esta combinación pone de manifiesto como una molécula plana de carbono sin hidrógeno se pliega expontáneamente. La belleza de este nuevo método de síntesis reside en que si se sintetizan moléculas precursoras planas con diferentes topologías se pueden conseguir moléculas cerradas de diferentes formas, tamaños e incluso que contengan átomos diferentes al Carbono. Así se ha sintetizado por primera vez la molécula C₅₇ N₃ sobre una superficie.

¡La Naturaleza! La NASA encontró fulerenos esféricos o buxkybolas en la nebulosa Tc1 a 6.000 años-luz. Posiblemente sean una de las moléculas más bellas que podamos encontrar, es una de las formas más estables del carbono, y sus 60 átomos se distribuyen formando 20 hexágonos y 12 pentágonos que ofrecen una forma idéntica al clásico balón de fútbol.

Nanotubos de Carbono

Si el descubrimiento del C₆₀ fue un hito importante para la Nanotecnología, el de los llamados Nanotubos de Carbono lo ha superado con creces. Los Nanotubos de Carbono, unas diez mil veces más finos que un cabello, presentan excelentes propiedades físicas y su fabricación resulta relativamente económica. Un cable fabricado de Nanotubos de Carbono resultaría diez veces más ligero que uno de acero con el mismo diámetro pero sería ¡cien veces más resistente! A estas impresionantes propiedades mecánicas se le añaden unas interesantes propiedades eléctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes, según la topología que presenten.

Un Nanotubo de Carbono se obtiene mediante el plegado sobre sí mismo de un plano atómico de grafito (enrollándolo). Según como se pliegue el plano grafítico se obtiene un Nanotubo que puede conducir la corriente eléctrica, ser semiconductor o ser aislante. En el primer caso, los Nanotubos de Carbono son muy buenos conductores a temperatura ambiente, pudiendo transportar elevadas densidades de corriente. En el segundo presentan propiedades rectificadoras. Por otra parte, si inducimos defectos en la estructura podemos generar moléculas semiconductoras y así formar diodos o transistores. Es decir, tenemos todos los elementos en nuestras manos para construir nanocircuitos basados en Carbono.

Grafeno

A un solo plano atómico de grafito se le llama grafeno, y éste, a diferencia del grafito, es difícil de obtener. Recientemente, mediante cálculos teóricos, se han realizado predicciones acerca de las importantes propiedades electrónicas que podría tener este material. Entre ellas una altísima movilidad electrónica y una baja resistividad, de manera que estos planos atómicos podrían ser los futuros sustitutos del silicio en los dispositivos electrónicos. Ahora bien, al día de hoy, estas propuestas provienen esencialmente de cálculos teóricos y, por tanto, antes de que el grafeno pase a sustituir al silicio en la electrónica del futuro, es necesario verificar las predicciones teóricas en el laboratorio. Actualmente, éste es un campo muy activo de investigación, y muchos grupos están trabajando en la obtención de capas de grafeno soportadas sobre diferentes materiales, como polímeros o aislantes, para poder determinar sus propiedades eléctricas y comprobar las predicciones teóricas.

El estudio de grafeno sobre metales de transición es un campo muy activo de investigación ya que las capas de grafeno crecen de manera fácil, muy controladas y con un bajo número de defectos sobre estas superficies. Además el grafeno sobre un substrato forma patrones conocidos como redes de Moiré, en las que la periodicidad atómica de las dos redes cristalinas (substrato y grafeno), coincide cada dos-tres nm, dando lugar a deformaciones de la capa de grafeno, que se reflejan como prominencias en la imagen STM.

Nanohilos

No sólo las moléculas, los Nanotubos o el grafeno son las apuestas para sustituir al silicio. Otros elementos como los Nanohilos fabricados a partir de materiales semiconductores o los Nanohilos metálicos tendrán también cierto protagonismo. En concreto, los Nanohilos semiconductores presentan un gran potencial como transistores pero también presentan aplicaciones en campos como octoelectrónica o en la fabricación de censores biológicos. Por otro lado los Nanohilos metálicos, cuya síntesis controlada es más difícil, poseen gran interés como interconectores. En el caso de los Nanohilos formados de materiales Ni, Co o Fe se puede aprovechar también su potencial comportamiento magnetorresisitivo para ser usados en dispositivos de almacenamiento magnético. Los Nanohilos metálicos son interesantes a su vez porque los efectos de tamaño inducen en ellos la aparición de transiciones de fase martensíticas y la aparición de configuraciones no cristalinas.

En el siguiente hablaremos de las Nanopartículas y la fuente de estos conocimientos aparece publicada en…

Editadas por la RSEF.

Publica: emilio silvera

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Hemos hablado aquí otras veces sobre el hecho cierto de que, el material del que estamos hechos,  se fabricó en las estrllas, y, alguna supernova, hace ya miles de millones de años, sembró el espacio interestelar para que se formara nuestro Sistema Solar. Claro que los procesos de la alquimia estelar necesitan tiempo: miles de millones de años de tiempo. Y debido a que nuestro universo se está expandiendo, tiene que tener un tamaño de miles de millones de años-luz para que durante ese periodo de tiempo necesario pudiera haber fabricado los componentes y elementos complejos para la vida. Un universo que fuera sólo del tamaño de nuestra Vía Láctea, con sus cien mil millones de estrellas resultaría insuficiente, su tamaño sería sólo de un mes de crecimiento-expansión y no habría producido esos elementos básicos para la vida.

El universo tiene la curiosa propiedad de hacer que los seres vivos piensen que sus inusuales propiedades son poco propicias para la vida, para la existencia de vida, cuando de hecho, es todo lo contrario; las propiedades del universo son esenciales para la vida. Lo que ocurre es que en el fondo tenemos miedo; nos sentimos muy pequeños ante la enorme extensión y tamaño del universo que nos acoge. Sabemos aún muy poco sobre sus misterios, nuestras capacidades son limitadas y al nivel de nuestra tecnología actual estamos soportando el peso de una gran ignorancia sobre muchas cuestiones que necesitamos conocer.

Extraños objetos pueden ser observados en el Universo en los que, energías inimaginables están presentes

Con sus miles de millones de galaxias y sus cientos de miles de millones de estrellas, si niveláramos todo el material del universo para conseguir un mar uniforme de materia, nos daríamos cuenta de lo poco que existe de cualquier cosa. La media de materia del universo está en aproximadamente 1 átomo por cada metro cúbico de espacio. Ningún laboratorio de la Tierra podría producir un vacío artificial que fuera remotamente parecido al vacio del espacio estelar. El vacío más perfecto que hoy podemos alcanzar en un laboratorio terrestre contiene aproximadamente mil millones de átomos por m³.

Esta nueva manera de mirar el universo nos da nuevas ideas, no todo el espacio son agujeros negros, estrellas de neutrones, galaxias y desconocidos planetas; la verdad es que casi todo el universo está vacío y sólo en algunas regiones tiene agrupaciones de materia en forma de estrellas y otros objetos estelares y cosmológicos; muchas de sus propiedades y características más sorprendentes (su inmenso tamaño y su enorme edad, la soledad y oscuridad del espacio) son condiciones necesarias para que existan observadores inteligentes como nosotros.

 Esta imagen circula mucho por los medios como posible observador inteligente fuera de la Tierra. Algunos comentan que somos nosotros en el futuro y hemos venido a contemplar cómo éramos. La imaginación del Ser humano no tiene límites y para pensar tal cosa… ¡Hay que tener mucha imaginación!

No debería sorprendernos la vida extraterrestre; si existe, pudiera ser tan rara y lejana para nosotros como en realidad nos ocurre aquí mismo en la Tierra, donde compartimos hábitat con otros seres vivos con los que hemos sido incapaces de comunicarnos, a pesar de que esas formas de vida, como la nuestra, están basadas también en el carbono. No se puede descartar formas de vida inteligente basadas en otros elementos, como por ejemplo, el silicio.

La baja densidad media de materia en el universo significa que si agregáramos material en estrellas o galaxias, deberíamos esperar que las distancias medias entre objetos fueran enormes.

El cuadro expresa la densidad de materia del universo de varias maneras diferentes que muestran el alejamiento que cabría esperar entre los planetas, estrellas y galaxias. No debería sorprendernos que encontrar vida extraterrestre sea tan raro. Si tenemos en cuenta las distancias que nos separan y el tiempo que llevamos aquí, aún no hemos podido alcanzar la rtecnología suficiente para realizar viajes a las estrellas. Claro que, una Civilización extraterrestre llegada al Universo en otro mundo de nuestra propia Galaxia, si llegó un millón de años antes que nosotros, ¿cómo estarían de adelantados?

                                                           Estaremos aislados en un cosmos “infinito”

“El hecho fundamental de nuestra existencia es que parecemos estar aislados en el cosmos. Somos los únicos seres racionales capaces de expresarse en el silencio del universo. En la historia del Sistema Solar se ha dado en la Tierra, durante un periodo de tiempo infinitesimalmente corto, una situación en la que los seres humanos evolucionan y adquieren conocimientos que incluye el ser conscientes de sí mismos y de existir… Dentro del Cosmos ilimitado, en un minúsculo planeta, durante un minúsculo periodo de tiempo de unos pocos milenios, algo ha tenido lugar como si este planeta fura lo que abarca todo, lo auténtico. Este es el lugar, una mota de polvo en la inmensidad del cosmos, en el que el ser ha despertado con el hombre”.

¡Son tántos los mundos! ¿Cómo no van a existir otros seres que, como en la Tierra, se pregunten las mismas cosas y tengan las mismas dudas?

Hay aquí algunas grandes hipótesis sobre el carácter único de la vida humana en el universo (creo que equivocada). En cualquier caso se plantea la pregunta, aunque no se responde, de por qué estamos aquí en el tiempo y lugar en que lo hacemos. Hemos visto que la cosmología moderna puede ofrecer algunas respuestas esclarecedoras a estas preguntas.

En mi anterior trabajo quedaron reflejadas todas las respuestas a estas preguntas. Nada sucede porque sí, todo es consecuencia directa de la causalidad. Cada suceso tiene su razón de ser en función de unos hechos anteriores, de unas circunstancias, de unos fenómenos concretos que de no haberse producido, tampoco el tal suceso se habría significado, simplemente no existiría. Con la vida en nuestro planeta, ocurrió igual.

Una atmósfera primitiva evolucionada, la composición primigenia de los mares y océanos con sus compuestos, expuestos al bombardeo continuo de radiación del espacio exterior que llegaba en ausencia de la capa de ozono, la temperatura ideal en relación a la distancia del Sol a la Tierra y otra serie de circunstancias muy concretas, como la edad del Sistema Solar y los componentes con elementos complejos del planeta Tierra, hecho del material estelar evolucionado a partir de supernovas, todos estos elementos y circunstancias especiales en el espacio y en el tiempo, hicieron posible el nacimiento de esa primera célula que fue capaz de reproducirse a sí misma y que, miles de años después, hizo posible que evolucionara hasta lo que hoy es el hombre que, a partir de materia inerte, se convirtió en un ser pensante que ahora es capaz de exponer aquí mismo estas cuestiones. ¡Es verdaderamente maravilloso!

El entorno cambiante en un universo en expansión como el nuestro, a medida que se enfría y envejece (la entropía) es posible que se formen átomos, moléculas, galaxias, estrellas, planetas y organismos vivos. En el futuro, las estrellas agotaran su combustible nuclear y morirán todas. En función de sus masas serán estrellas enanas blancas (como nuestro Sol), estrellas de neutrones (a partir de 1’5 masas sobre hasta 3 masas solares) y agujeros negros a partir de 3 masas solares. Hay un recorrido de historia cósmica en el que nuestro tipo de evolución biológica debe ocurrir bajo esas circunstancias especiales a las que antes me referí.

                              Circula por ahí una Teoría que nos habla de la muerte Térmica del Universo

No podemos saber cuándo, pero sí tenemos una idea muy clara de cómo será dicho final. El universo es todo lo que existe, incluyendo el espacio, el tiempo y la materia. El estudio del universo es la cosmología, que distingue entre el Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría. El universo real está constituido en su mayoría por espacios aparentemente vacios, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas y gas. El universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes.*

Dicen algunos que existe una evidencia creciente de que el espacio está o puede estar lleno de una materia invisible, “materia oscura”, que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles (materia bariónica). Sabemos que el origen más probable del universo está en al teoría conocida como del Big Bang que, a partir de una singularidad de una densidad y energía infinita, hace ahora unos 15 mil millones de años, surgió una inmensa bola de fuego que desde entonces no ha dejado de expandirse y enfriarse.

  Somos osados. Cuando hablamos de lo que no sabemos

En el proceso, nació el tiempo y el espacio, surgieron las primeros quarks que pudieron unirse para formar protones y electrones que formaron los primeros núcleos y, cuando estos núcleos fueron rodeados por los electrones, nacieron los átomos que evolucionando y juntándose hicieron posible la materia; todo ello, interaccionado por cuatro fuerzas fundamentales que, desde entonces, por la rotura de la simetría original divididas en cuatro parcelas distintas, rigen el universo. La fuerza nuclear fuerte responsable de mantener unidos los nucleones, la fuerza nuclear débil, responsable de la radiactividad natural desintegrando elementos como el uranio, el electromagnetismo que es el responsable de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, y la fuerza de gravedad que mantiene unidos los planetas y las galaxias.

Pero hemos llegado a saber que el universo podrá ser abierto o cerrado.  Un universo que siempre se expande y tiene una vida infinita es abierto. Esto es un universo de Friedmann que postuló que el nuestro tenía una densidad menor que la densidad crítica.

El universo cerrado es el que es finito en tamaño, tiene una vida finita y en el que el espacio está curvado positivamente. Un universo de Friedman con la densidad mayor que la densidad crítica.

El universo en expansión es el que el espacio entre los objetos está aumentando continuamente. En el universo real, los objetos vecinos como los pares de galaxias próximas entre sí no se separan debido a que su atracción gravitatoria mutua supera los efectos de la expansión cosmológica (el caso de la Vía Láctea y Andrómeda). No obstante, la distancia entre dos galaxias muy separadas, o entre dos cúmulos de galaxias, aumenta con el paso del tiempo y la expansión imparable del universo.

Aunque estémos acostumbrados a ver imágenes de bellos cúmulos de galaxias, lo cierto es que, en el Universo, predominan los espacios vacíos.

El universo real está en función de la densidad crítica que es la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión del universo. Un universo con una densidad muy baja se expandirá para siempre, mientras que uno con densidad muy alta colapsara finalmente. Un universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10^-29g/cm³, es descrito por el modelo de universo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. Pero la densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo no representa la cantidad necesaria para generar la fuerza de gravedad que se observa en la velocidad de alejamiento de las galaxias, que necesita mucha más materia que la observada para generar esta fuerza gravitatoria, lo que nos da una prueba irrefutable de que ahí fuera, en el espacio entre galaxias, está oculta esa otra materia invisible, la “materia oscura”, que nadie sabe lo que es, cómo se genera o de qué esta hecha. Así que, cuando seamos capaces de abrir esa puerta cerrada ante nuestras narices, podremos por fin saber la clase de universo en el que vivimos; si es plano, si es abierto e infinito, o si es un universo que, por su contenido enorme de materia es curvo y cerrado.

Según todos los indicios, estamos en un Universo Plano

Claro que saber la cantidad de materia que pueda contener nuestro universo, no resultará tan fácil como mirar a las estrellas. Aunque alguna idea tenemos…, con certeza nada sabemos en relación a infinut de cuestiones con el Universo relacionadas…, a otras sí hemos podido acercarnos algo más. Pero la respuesta a la pregunta, aún sin saber exactamente cuál es la densidad crítica del universo, sí podemos contestarla en dos vertientes, en la seguridad de que al menos una de las dos es la verdadera.

El destino final será:

a)  Si el universo es abierto y se expande para siempre, cada vez se hará más frio, las galaxias se alejarán las unas de las otras, la entropía hará desaparecer la energía y el frio será tal que la temperatura alcanzará el cero absoluto, -273ºK.  La vida no podrá estar presente.

b) Si el universo es cerrado por contener una mayor cantidad de materia, llegará un momento en que la fuerza de gravedad detendrá la expansión de las galaxias, que poco a poco se quedarán quietas y muy lentamente, comenzaran a moverse en el sentido inverso; correrán ahora las unas hacia las otras hasta que  un día, a miles de millones de años en el futuro, todo la materia del universo se unirá en una enorme bola de fuego, el Big Crunch. Se formará una enorme concentración de materia de energía y densidad infinitas. Habrá dejado de existir el espacio y el tiempo. Nacerá una singularidad que, seguramente, dará lugar a otro Big Bang. Todo empezará de nuevo, otro universo, otro ciclo ¿pero aparecemos también nosotros en ese nuevo universo?

Esta pregunta sí que no sé contestarla.

Aquí sabemos de la infinitud de galaxias que conforma nuestro univeroso, de la entropía que acompaña al inexorable pasar del tiempo, el espacio que nos separa de los objetos del cosmos, de cómo está formada la materia conocida…y, sin embargo, no sabemos muchas de las cosas que nos rodean y, tampoco de nosotros mismos.

Contemplamos en la imagen de más abajo como muchas galaxias terminan por fusionarse. Así podría ser el futuro de la Vía Láctea y Andrómeda. ¿Y nosotros, dónde estaremos para cuando eso ocurra? Y, ¿Cuando el Sol se convierta en Gigante roja primero y Nebulosa planetaria después, si hemos podido sobrevivir, ¿dónde nos habremos instalados? ¿Qué nuevos mundos serán nuestros hogares?

Así las cosas, no parece que el futuro de la Humanidad sea muy alentador. Claro que los optimistas nos hablan de hiperespacio y universos paralelos a los que, para ese tiempo, ya habremos podido desplazarnos garantizando la continuidad de la especie Humana. Bien pensado, si no fuera así ¿para qué tantas dificultades vencidas y tantas calamidades pasadas? ¿Para terminar congelados o consumidos por un fuego abrasador?

¡Quién pudiera contestar a eso!

Cuando pensamos en la edad y el tamaño del universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como ya hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿Por qué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

Si para entonces hemos aguantado, sabremos lo que tenemos que hacer para que nuestra especie perdure. Y, espero con fuerzas que, para cuando eso llegue a pasar, todos tengamos consciencia de que, el dolor del otro es nuestro dolor.

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales”; la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

La edad actual del universo visible ≈ 10⁶⁰ tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ masas de Planck

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del universo visible ≈10^-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10^-30 de la Planck

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones, el universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del universo en “tics” de Tiempo de Planck,  hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo.

La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

emilio silvera

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                                           Conexiones sin fin que nos llevan a tener consciencia de Ser

El Tiempo: creador de Historias.

El Tiempo, aunque a ciencia cierta no sabemos lo que es, sí sabemos que nos permite contar historias de hechos pasados, buscar las huellas que dejaron en nuestro mundo los cambios habidos en la Naturaleza, y, durante su inexorable transcurrir, van pasando cosas, se están produciendo cambios, y, la Entropía convierte lo nuevo en viejo, mientras que, esa otra clase de Entropía negativa, crea nuevas estrellas, nuevos mundos y nuevas criaturas.

Pero esas son otras historias y, el día de hoy hablaremos del…

¡Preludio a la relatividad! -Las ecuaciones de Lorentz-Fitzgerald- Éste último pensaba y decía cosas comos estas:

 

 

              George FitzGerald

 

“… la telegrafía debe mucho a Euclides y otros geómetras puros, al griego y al árabe que fueron matemáticos magistrales que inventaron nuestra escala de numeración y el álgebra, de Galileo y Newton, que fundaron la dinámica, para que Newton y Leibniz inventaran el cálculo, para que Volta descubriera la galvánica bobina, a Oersted quien descubrió la acción magnética de las corrientes, que a Ampère descubriera las leyes de su acción, a Ohm que descubrió la ley de la resistencia de los cables, a Wheatstone, de Faraday, a Lord Kelvin, a Clerk Maxwell, Hertz a… Sin los descubrimientos, invenciones, y las teorías científicas resumen de estos hombres la telegrafía y otras maravillas y conocimientos…  ¡serían imposibles ahora!”

    Hendrik Antoon Lorentz

 

Se le deben importantes aportaciones en los campos de la termodinámica, la radiación, el magnetismo, la electricidad y la refracción de la luz.  Formuló conjuntamente con George Francis FitzGerald una teoría sobre el cambio de forma de un cuerpo como resultado de su movimiento; este efecto, conocido como “contracción de Lorentz-FitzGerald”, cuya representación matemática de ella es conocida con el de transformación de Lorentz,  fue una más de las numerosas contribuciones realizadas por Lorentz al desarrollo de la teoría de la relatividad.

Fue, al igual que Henri Poincaré,  uno de los primeros en formular las bases de la teoría de la relatividad (frecuentemente atribuida primaria o solamente a Albert Einstein).  Fue ganador del Premio Nobel de Física en 1902, junto con su pupilo Pieter Zeeman,  por su investigación conjunta sobre la influencia del magnetismo en la radiación, originando la radiación electromagnética.  fue premiado con la Medalla Rumford en 1908 y la Medalla Coplay en 1918. Lorentz era hombre humilde y sencillo y le gustaba resaltar los logros de los demás:

 

 

Michael Faraday

 

“Como es probable que sepas, gran parte de nuestro conocimiento sobre la electricidad y el magnetismo se basa en los experimentos ingeniosísimos realizados por Michael Faraday en la primera parte del siglo XIX. Faraday era un experimentador genial, y descubrió numerosos fenómenos desconocidos hasta entonces, como la mutua. Estableció diversas leyes, pero no pudo elaborar una teoría global acerca del electromagnetismo porque sus conocimientos matemáticos no iban más allá de la trigonometría: hacía falta un teórico capaz de amalgamar el conocimiento adquirido por Faraday y otros experimentadores, como Hans Christian Ørsted, en una teoría general”.

Ese teórico era otro genio, James Clerk Maxwell, que estableció un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales bellísimas que describían de una manera extraordinariamente precisa los resultados de casi todos los experimentos de Faraday, Ørsted y compañía. Lo más sorprendente, el propio Maxwell y sus contemporáneos, fue una de las consecuencias inevitables de sus ecuaciones: la existencia de perturbaciones del campo eléctrico y el magnético que se propagaban por el espacio.”

 

 

A la contracción, Einstein le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En teoría, un objeto de longitud l₀ en reposo en un sistema de referencia parecerá, un observador en otro sistema de referencia que se mueve con velocidad relativa v con respecto al primero, tener longitud , donde c es la velocidad de la luz. La hipótesis original atribuía contracción a una contracción real que acompaña al movimiento absoluto del cuerpo. La contracción es en cualquier caso despreciable a no ser que v sea del mismo orden o cercana a c.

 

 

Un objeto que se moviera a 11,2 Km/s (la velocidad de escape de nuestro planeta) experimentaría sólo una contracción equivalente a 2 partes por cada 1.000 millones en el sentido del vuelo. Pero a velocidades realmente elevadas, tal contracción sería sustancial. A unos 150.000 Km/s (la mitad de la velocidad de la luz) sería del 15%; a 262.000 Km/s (7/8 de la velocidad de la luz), del 50%. Es decir, que una regla de 30 cm que pasara ante nuestra vista a 262.000 Km/s nos parecería que mide sólo 15’24 cm, siempre y cuando conociéramos alguna manera para medir su longitud en pleno vuelo. Y a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 Km/s en números redondos, su longitud en la dirección del movimiento sería cero. Puesto que, presuntamente, no puede existir ninguna longitud inferior a cero, se deduce que la velocidad de la luz en el vacío es la mayor que puede imaginarse el universo.

 

 

 

                                                                                 experimento conocido de Michelson-Morley

Todo aquello fue posible gracia a que en 1893, el físico irlandés George Francis FitzGerald emitió una hipótesis explicar los resultados negativos del experimento conocido de Michelson-Morley.  Adujo que toda materia se contrae en la dirección del movimiento, y que esa contracción es directamente proporcional al ritmo (velocidad) del movimiento.

Según tal interpretación, el interferómetro se quedaba corto en la dirección del “verdadero” movimiento terrestre, y lo hacía precisamente en una cantidad que compensaba con toda exactitud la diferencia de distancias que debería recorrer el rayo luminoso.  Por añadidura, todos los aparatos medidores imaginables, incluyendo los órganos sensoriales humanos, experimentarían ese mismo fenómeno.

Parecía como si la explicación de FitzGerald insinuara que la Naturaleza conspiraba con objeto de impedir que el hombre midiera el movimiento absoluto, lo cual introducía un efecto que anulaba cualquier diferencia aprovechable para detectar dicho movimiento.

Este asombroso fenómeno recibió el de “contracción de FitzGerald”, y su autor formuló una ecuación para el mismo que, referido a la contracción de un cuerpo móvil, fue predicha igualmente, y de manera independiente, por H.A.Lorentz (1853-1928) de manera que, finalmente, se quedaron unidas como “Contracción de Lorentz-Fitz Gerald”.

 

 

 

El efecto Fitzgerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas como las ecuaciones Lorentz-Fitzgerald.

 

 

 

 

La dilatación del tiempo es el fenómeno predicho por la teorçia de la relatividad,  por el cual un observador observa que el reloj de otro (un reloj físicamente idéntico al suyo) está marcando el tiempo a un ritmo menor que el que mide su reloj. Esto se suele interpretar normalmente como que el tiempo se ha ralentizado para el otro reloj, pero eso es cierto solamente en el contexto del sistema de referencia del observador. Localmente, el tiempo siempre está pasando al mismo ritmo. El fenómeno de la dilatación del tiempo se aplica a cualquier proceso que manifieste cambios a través del tiempo.

fórmula para determinar la dilatación del tiempo en la relatividad especial es:

Donde:

 

es el intervalo temporal entre dos eventos co-locales para un observador en algún sistema de referencia inercial. (por ejemplo el número de tic tacs que ha hecho su reloj)

es el intervalo temporal entre los dos mismos eventos, tal y como lo mediría otro observador moviéndose inercialmente con velocidad v, respecto al primer observador

es la velocidad relativa entre los dos observadores

la velocidad de la luz y

es el también conocido como factor de Lorentz

De esta manera la duración del un ciclo de reloj del reloj que se mueve se ha incrementado: esta “funcionando más despacio”. Según lo indicado las transformaciones de Lorentz  pueden ser utilizadas para casos más generales.

Postulados de la Relatividad Especial

 

• Primer postulado:  Principio especial de relatividad: Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.

• Segundo postulado: Invariancia de c: La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de luz.

 

 

Aquí podemos ver el tiempo que tarda la luz en llegar desde la Tierra a la Luna situada a más de 380.000 Km

 Einstein que se apropió de aquella idea (de Lorentz) y, además, la amplió al contraer también el Tiempo. La contracción de la longitud ha sido verificada en el diseño, por ejemplo, del acelerador lineal de la Universidad de Stanford. Las partículas salen con una velocidad v = 0,999975c, por tanto, metro de tubo acelerador es “visto” por los electrones como 144 metros. Si, según la expresión anterior, un cuerpo con masa se moviera a la velocidad c desaparecería por contracción de su longitud para un observador en reposo, lo cual refuerza el carácter inalcanzable de velocidad. Si los objetos con masa alcanzan este límite de velocidad la estructura básica de la realidad se desvanece. Por otra parte, vemos que cualquier influencia que afecte al tiempo también lo hará con el espacio. Esto no nos debe de extrañar, ya que ambas magnitudes se encuentran íntimamente relacionadas por lo único que se nos mantiene invariable: la velocidad de la luz. En relatividad hablamos de espacio-tiempo ya que son inseparables.

A la contracción, Einstein, le dio un marco teórico en la teoría especial de la relatividad. En teoría, un objeto de longitud /0 en reposo en un sistema de referencia parecerá, para un observador en otro sistema de referencia que se mueve con velocidad relativa v con respecto al primero, tener longitud /0 , donde c es la velocidad de la luz. La hipótesis original atribuía esta contracción a una contracción real que acompaña al movimiento absoluto del cuerpo. La contracción es en cualquier caso despreciable a no ser que v sea del mismo orden o cercana a c.

Un objeto que se moviera a 11 km/s (la velocidad de escape de nuestro planeta) experimentaría sólo una contracción equivalente a 2 partes por cada 1.000 millones en el sentido del vuelo. Pero a velocidades realmente elevadas, tal contracción sería sustancial. A unos 150.000 km/seg. (la mitad de la velocidad de la luz, c), sería del 15%; a 262.000 km/seg. (7/8 de la velocidad de la luz), del 50% Es decir, que una regla de 30 cm. que pasara ante nuestra vista a 262.000 km (seg., nos parecería que mide sólo 15’54 cm…, siempre y cuando conociéramos alguna manera medir su longitud en pleno vuelo. Y a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 km/seg., en números redondos, su longitud, en la dirección del movimiento, sería cero.  Puesto que, presuntamente, no puede existir ninguna longitud inferior a cero, se deduce que la velocidad de la luz en el vacío es la mayor que puede imaginarse en el Universo. (Pero ¿existir también?).

El físico holandés Hendrik Antón Lorentz, como hemos dicho, promovió ésta idea pensando en los rayos catódicos (que ocupaban su actividad por aquellas fechas), se hizo el siguiente razonamiento: si se comprimiera la carga de una partícula reducir su volumen, aumentaría su masa.  Por consiguiente, una partícula voladora, escorzada en la dirección de su desplazamiento por la contracción de Fitz Gerald, debería crecer en términos de masa.

         Un objeto que corra a velocidades cercanas a la de la luz, verá incrementada su masa

Lorentz presentó una ecuación sobre el acrecentamiento de la masa, que resultó muy similar a la ecuación FitzGerald sobre el acortamiento. A 149.637 kilómetros por segundo, la masa de un electrón aumentaría en un 15%; a 262.000 km/seg., en un 100% (es decir, la masa se duplicaría); y a la velocidad de la luz, su masa sería infinita.  Una vez más pareció que no podría haber ninguna velocidad superior a la de la luz, pues, ¿cómo podría ser una masa mayor que infinita? El efecto FitzGerald sobre longitudes y el efecto Lorentz sobre masas mantuvieron una conexión tan estrecha que aparecieron a menudo agrupadas las “ecuaciones Lorentz-FitzGerald.”

Mientras que la contracción FitzGerald no podía ser objeto de mediciones, el efecto Lorentz sobre masas si podía serlo…, aunque indirectamente. De hecho, el muón, tomó 10 veces su masa original fue lanzado, a velocidades relativistas, en el acelerador de partículas, lo que confirmó la ecuación de Lorentz. Los experimentos posteriores, han confirmado las ecuaciones de ambos: a velocidades relativistas, las longitudes se contraen y las masas se incrementan.

                                                                    Nada puede viajar a la velocidad de la luz

Como es conocido por todos, Einstein adoptó estos descubrimientos y los incorporó a su teoría de la relatividad especial que, aunque mucho más amplia, recoge la contracción de FitzGerald y el aumento de la masa de Lorentz cuando se alcanzan grandes velocidades.

¡Qué cosas!

Algunas veces pienso que, los artistas en general, y los poetas en particular, tendrían que adaptar e incluir a sus esquemas artísticos y poéticos, los adelantos científicos, para asimilarlos en las diversas expresiones y sentimientos que serán después puestos al servicio del consumo humano.

Estos adelantos científicos serían así coloreados con las pasiones humanas y transformadas, de alguna manera, en la sangre, y por qué no, los sentimientos de la naturaleza humana.

Posiblemente, de haberlo hecho así, el grado general de conocimiento sería mayor.

emilio silvera

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