¡Física! ¡Astronomía! Tienen tántos secretos

Al combinarse sodio con cloro, para formar cloruro de sodio (sal común de mesa), cada átomo de sodio cede un electrón a un átomo de cloro.

En lo referido al  deuterón es una de las variedades del ion hidrógeno o Hidrón. En química,  y en física de partículas, el deuterón, (del griego δεύτερος, deuteros, “el segundo”), designa el núcleo del átomo de deuterio,   un isótopo  estable del elemento Hidrógeno.  El símbolo del deuterón es ²H⁺, o más raramente, D⁺ o simplemente d. Un deuterón se compone de un neutrón y un protón.

Estaba pensando escribir un poco sobre cuestiones generales de la Física, y, de pronto, sin saber el por qué, me vino a la memoria que, el deuterón, resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos.  En 1.934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P.Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituído por un protón y 2 neutrones. La reacción de planteó así:

Hidrógeno2 + Hidrógeno2 → Hidrógeno3 + Hidrógeno1

 

 

Fusión nuclear de deuterones (núcleos de deuterio) y tritones (núcleos de tritio) con producción de helio. Este nuevo Hidrógeno superpesado se denomino “tritio”; su ebullición a 25’0 °K y su fusión, 20’5 °K.

Como con cierta frecuencia me pasa, me desvió del tema en un principio elegido y, sin poderlo evitar, mi ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos.  Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo, un fugaz recuerdo, lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar, así, en este caso, me pasé a la química que, también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física, de hecho son hermanas, la madre, las matemáticas, la única que, finalmente, lo podrá explicar todo.

“Puesto que el electrón posee una carga eléctrica (negativa), cualquier movimiento del mismo puede generar un pequeño campo magnético capaz de hacerlo interactuar con un campo magnético externo no homogéneo. Y una manera en la cual el 47avo electrón solitario pueda comportarse como un pequeño imán dándole de este modo al átomo de plata un momento magnético es girando sobre su propio eje como si fuese un trompo”

Estamos hablando de las partículas y no podemos dejar a un lado el tema del movimiento rotatorio de las mismas. Usualmente se ve cómo la partícula gira sobre su eje, a semejanza de un trompo, o como la Tierra, o el Sol, o nuestra Galaxia o, si se me permite decirlo, como el propio Universo. En 1.925, los físicos holandeses George Eugene Uhlenbeck y Samuel Abraham Goudsmit aludieron por primera vez a esa rotación de las partículas.  Estas, al girar, genera un minúsculo campo magnético; tales campos han sido objeto de medidas y exploraciones, principalmente por parte del físico alemán Otto Stern y el físico norteamericano Isaac Rabi, quienes recibieron los premios Nóbel de Física en 1.943 y 1.944, respectivamente, por sus trabajos sobre dicho fenómeno.

Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en número mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1.926, por Fermín y Dirac.  Por ello, se las llama y conoce como Estadísticas Fermi-Dirac.  Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par.  Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S.N.Bose. Las partículas que se adaptan a la “estadística Bose-Einstein” son “bosones”.  Por ejemplo, la partícula alfa, es un bosón.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de ésta teoría en vez de las de la mecánica clásica.  En estadística cuantica, los estados de energía se considera que están cuantizados.  La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son los bosones que, tienden a juntarse.

Los bosones tienen un momento angular n h/2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck.  Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones.  Estas partículas se conocen con el nombre de aiones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de+1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1.  Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Debido al principio de exclusión de Pauli es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones).

Esta imagen fue proporcionada por JILA, Universidad de Colorado, Boulder. Está específicamente acreditada a Mike Matthews, del equipo de investigación JILA.

“Un condensado de Bose–Einstein es un estado de la materia en el que ciertas partículas (bosones) pierden sus características individuales para colapsar en un único estado colectivo y en el cual los efectos cuánticos se manifiestan en una escala macroscópica. Ésta condensación fue predicha por Bose y Einstein en 1924-25. A finales de los años 30 se observó que, a muy bajas temperaturas (-271 ºC = 2.17 grados Kelvin) cerca del cero absoluto, el helio-4 se comportaba como un nuevo fluido con propiedades inusuales tales como la ausencia de viscosidad (fluir sin disipar energía) y la existencia de vórtices (pequeños remolinos indestructibles) cuantizados. A este nuevo estado se le conoce como superfluido. L. Landau obtuvo el Premio Nobel en 1964 por su teoría fenomenológica que explica la superfluidez como una consecuencia de un condensado de bosones interactuántes.”

La condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7k) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Este efecto (condensación Bose-Einstein), como ya habréis podido suponer, es llamado así en honor al físico Satyendra Naht Bose (1.894-1.974) y de Albert Einstein.

Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender como forma un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado.  Lo cierto es que ocurre así. La prueba directa más evidente de ello es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado.  El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes a cero, aunque por alguna razón desconocida, lograr crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E=mc²), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es, ¡materia! La materia es la luz, la energía, el magnetismo.  En definitiva, la fuerza que reine en el Universo y que esté presente, de una u otra forma en todas partes (aunque no podamos verla). ¡Es Curioso! Sea como fuere, la rotación del neutrón nos dé la respuesta a esas preguntas:

¿Qué es el antineutrón?  Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo así, está arriba y no abajo.  En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos.

Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la “antimateria”, de la misma forma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un blanco de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un “antideuterón”. Desde entonces se ha producido el “antihielo 3″, y no cabe duda de que se pudiera crear otros antinúcleos más complicados aun si se abordara el problema con más interés.

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el Universo?

Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente.  Sin embargo, cuando se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro.  Así, pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, para tratar de encontrar alguna actividad inusual que delate dichas interacciones materia-antimateria.

No parece que dichas observaciones fuesen un éxito. La única materia detectada ha sido siempre la Bariónica, la que podemos ver y emite radiación y luz. De todas las demás formas de materia de la que tanto hemos hablado (materia oscura, antimateria, o, sustancia cósmica… ¡ni la más mínima pista! Al menos hasta el momento.

¿Es posible que el Universo este formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si es así, ¿por qué? Dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaria la otra, y el Universo debería estar compuesta de iguales cantidades de la una y de la otra.

Se trata de núcleos de Antihelio 4 formados por dos antiprotones y dos antineutrones

Este es el dilema.  La teoría nos dice que debería haber allí, en el espacio interestelar,  antimateria, pero las observaciones lo niegan, no lo respaldan. ¿Es la observación la que falla? ¿Y qué ocurre con los núcleos de las galaxias activas, e incluso más aún, con los quásares? ¿Deberían ser estos fenómenos energéticos el resultado de una aniquilación materia-antimateria? ¡No creo! Ni siquiera ese aniquilamiento parece ser suficiente, y los astrónomos prefieren aceptar la noción de colapso gravitatorio y fenómenos de agujeros negros, como el único mecanismo conocido para producir la energía requerida.

 Con esto de la antimateria me ocurre igual que con el hecho, algunas veces planteado de su composición en lugares muy lejanos del Universo.

“Ha caído una nave extraterrestre y nuestros científicos han comprobado que está hecha de un material desconocido, casi indestructible.”

El comentario de arriba se ha podido oír en alguna película de ciencia ficción. Podría ser verdad ¡un material desconocido! Sin embargo, no porque la nave esté construida por una materia distinta a la que aquí existe, sino porque, de los mismos materiales que pueblan todo el Universo, esos extraterrestres han sabido manipularlos para conseguir una aleación distinta. El Universo es igual en todas partes y, por muy lejos que un mundo pueda estar situado, siempre estará compuesto, en mayor o menor proporción, por los elementos conocidos de la Tabla Periódica. Otra cosa será el nivel tecnológico que ese pueblo pueda tener para conseguir aleaciones inusuales en la Tierra.

Lo único que puede diferir, es la forma en que se utilice, el tratamiento que se le pueda dar, y, sobre todo el poseer el conocimiento y la tecnología necesarios para poder obtener, el máximo resultado de las propiedades que dicha materia encierra. Porque, en última instancia ¿es en verdad inerte la materia?

Está claro que, dentro de lo que ya sabemos, lo único que podemos asegurar es el hecho de que, a partir de la materia, lo podremos conseguir todo y, está claro que, aún encierra muchos secretos que no hemos podido desvelar.

emilio silvera