Dibujo20131008 higgs discovery – four muons on atlas – two photons on cms – lhc –
“Aunque no del todo, entendemos sorprendentemente bien
lo que son las cosas, y cómo funcionan. Me refiero sólo a su funcionamiento a nivel microscópico, claro está. Elementales son aquellas partículas que no están compuestas -que sepamos- de otras aún más elementales. El
Higgs, que tanto revuelo está armando, no es una partícula como otra cualquiera: es la pieza más codiciada, como hemos de ver.Las partículas y su comportamiento (las interacciones entre ellas) están descritas por el Modelo Estándar. El modelo es como el ajedrez: diferentes piezas (las partículas) y unas pocas reglas de juego. Un sinfín de posibilidades (las propiedades de todo lo que sabemos que existe) podrían en principio deducirse del comportamiento de unas pocas piezas, también como en el ajedrez.”
Alvaro de Rujula
Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una voz potente y ¿segura? nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?
La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben encontrar la respuesta al problema planteado.
Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.
La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.
¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.
La interacción débil, recordareis, fue inventada por E. Fermin para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.
Fabiola Gianotti, portavoz del experimento ATLAS, ofrece algunos avances:
“En nuestros datos observamos claros signos de una nueva partícula compatible con la teoría de Higgs, con un nivel aproximado de 5 sigma [99,977% de eficiencia], en la región de masa alrededor de los 126 GeV. El increíble rendimiento del LHC y el ATLAS y los enormes esfuerzos de mucha gente nos han traído a este excitante punto, pero hace falta un poco más de tiempo para preparar estos resultados cara a su publicación.”
El Modelo Estándar describe las partículas de todo cuanto nos rodea, incluso de nosotros mismos. Toda la materia que podemos observar, sin embargo, no parece significar más que el 4% del total. Higgs podría ser el puente para comprender el 96% del universo que permanece oculto.
El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de un nuevo bosón. Punto. En diciembre de 2012 se empezó a hablar de “un” Higgs (en lugar de “el” Higgs), pero oficialmente seguía siendo un nuevo bosón. ¿Importa el nombre? El Premio Nobel de Física para el bosón de Higgs sólo será concedido cuando el CERN afirme con claridad y rotundidad que se ha descubierto “el” Higgs, si el CERN es conservador, la Academia Sueca lo es aún más. Sin embargo, el rumor es que quizás baste con que el CERN diga que se ha descubierto “un” Higgs.
¿Por qué, a pesar de todas las noticias surgidas desde el CERN, creo que no ha llegado el momento de celebrarlo? ¿Es acaso el Higgs lo encontrado?
Hay que responder montones de preguntas. ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.
El campo de Higgs, tal y como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Estas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puso y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10’5grados kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así por ejemplo, antes de Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.
El Universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe. Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W+, W–, Z0, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que las hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.
Para cada suceso, la línea del haz es el eje común de los cilindros de malla de alambre ECAL y HCAL. ¿Cuál es el mejor candidato W? el mejor candidato Z? En cada evento, ¿dónde ocurrió la colisión y el decaimiento de las partículas producidas? Lo cierto es que, en LHC se hacen toda clase de pruebas para saber del mundo de las partículas, de dónde vienen y hacia dónde se dirigen y, el Bosón de Higgs, es una asignatura pendiente a pesar de las noticias y de los premios
De todas las maneras, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que, nos agarramos como a un clavo ardiendo el que se ahoga, en este caso, a la partícula de Higgs que viene a ser una de las soluciones que le falta al Modelo Estándar para que todo encaje con la teoría.
¡Ya veremos en que termina todo esto! Dicen que descubrieron el famoso Bosón pero… Y, aunque el que suena siempre es Higgs, lo cierto es que los autores de la teoría del “Bosón de Higgs”, son tres a los que se ha concedido, junto al CERN, el Premio Principe de Asturias. Peter Ware Higgs —el primero en predecir la existencia del bosón— junto a los físicos François Englert, y el belga Robert Brout—fallecido en el año 2011— y que no ha podido disfrutar del Nóbel.
Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas. La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y V. Salam, que trabajaban por separado, para comprender como se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W+, W– y Z0 de masa grande. Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martines Veltman y Gerard’t Hooft. También hay otras a los que había que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera muy injusta. Además, ¿Cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?
La verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos. Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalle sueltos y físicos que prepararon el terreno para que, llegara Einstein y pudiera, uniéndolo todo, exponer su teoría relativista.
Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia. Glasgow es menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales. La objeción principal: que no teníamos la menor prueba experimental que ahora parece que va asomando la cabeza en el LHC.
Esperemos que la partícula encontrada, el bosón hallado, sea en realidad el Higgs dador de masa a las demás partículas pero… ¡Cabe la posibilidad de que sólo sea el hermano menor! de la familia. El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” menos de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.
Después de todo esto, tal como lo están planteando los del CERN, se puede llegar a la conclusión de que, el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de cómo se hizo el Universo dependen de que se encuentre el Bosón de Higgs. Y ahora, por fin, el mayor Acelerador del mundo, el LHC, nos dice que el Bosón ha sido encontrado y las pruebas tienen una fiabilidad enorme.
Los teóricos imaginan y conjeturan sobre teorías que deben ser refrendadas por los experimentadores
¡La confianza en nosotros mismos, no tiene límites! Pero el camino no ha sido recorrido por completo y quedan algunos tramos que tendremos que andar para poder, al fín, dar una explicación más completa, menos oscura y neblinosa que lo que hasta el momento tenemos, toda vez que, del Bosón de Higgs y de su presencia veráz, dependen algunos detalles de cierta importancia para que sean confirmados nuestros conceptos de lo que es la masa y, de paso, la materia.
¿Pasará igual con las cuerdas?
emilio silvera
Fuente: León Lederman
El plasma en el Universo está presente en muchísimos objetos
El Plasma, ese otro estado de la Materia (el cuarto dicen) que, según sabemos, resulta ser el más abundante del Universo. Todos desde pequeños aprendimos aquellos tres estados de la amteria que cantábamos en el patio del centro educativo durante el recreo, donde todos a una gritábamos como papagayos: “Sólido, líquido y gaseoso”. Nada nos decían del Plasma, ese estado que, en realidad, cubre el 99% del estado de la materia en nuestro Universo (bueno, hablamos de la materia conocida, esa que llamamos bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones).
Según la energía de us partículas, los plasmas (como digo) constituyen el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, líquidos y gases. Para cambiar de uno al otro, es necesario que se le aporte energía que aumente la temperatura. Si aumentamos de manera considerable la temperatura de un gas, sus átomos o moléculas adquieren energía suficiente para ionizarse al chocar entre sí. de modo que a ~ 20.000 K muchos gases presentan una ionización elevada. Sin embargo, átomos y moléculas pueden ionizarse también por impacto electrónico, obsorción de fotones, reacciones químicas o nucleares y otros procesos.
Aquí podemos contemplar una enorme región ionizada en la Nebulosa del Pelícano. Estrellas nuevas emiten potente radiación ultravioleta que ataca el espesor de la Nebulosa molecular y hace que, el gas se ionice fuertemente creando una luminosidad que “viste” de azul claro todo el contorno que circunda el radio de acción de las estrellas.
Un plasma es un gas muy ionizado, con igual número de cargas negativas y negativas.Las cargas otorgan al Plasma un comportamiento colectivo, por las fuerzas de largo alcance existente entre ellas. En un gas, cada partícula, independientemente de las demás, sigue una trayectoria rectilínea, hasta chocar con otra o con las grandes paredes que la confinan. En un plasma, las cargas se desvían atraídas o repelidas por otras cargas o campos electromagnéticos externos, ejecutando trayectorias curvilíneas entre choque y choque. Los gases son buenos aislantes eléctricos, y los plasmas, buenos conductores.
En la Tierra, los plasmas no suelen existir en la naturaleza, salvo en los relámpagos, que son trayectorias estrechas a lo largo de las cuales las moléculas de aire están ionizadas aproximadamente en un 20%, y en algunas zonas de las llamas. Los electrones libres de un metal también pueden ser considerados como un plasma. La mayor parte del Universo está formado por materia en estado de plasma. La ionización está causada por las elevadas temperaturas, como ocurre en el Sol y las demás estrellas, o por la radiación, como sucede en los gases interestelares o en las capas superiores de la atmósfera, donde produce el fenómeno denominado aurora.
Así que, aunque escasos en la Tierra, el Plasma constituye la materia conocida más abundante del Universo, más del 99%. Abarcan desde altísimos valores de presión y temperatura, como en los núcleos estelares, hasta otros asombrosamente bajos en ciertas regiones del espacio. Uno de sus mayores atractivos es que emiten luz visible, con espectros bien definidos, particulares en cada especie. Algunos objetos radiantes, como un filamento incandescente, con espectro continuo similar al cuerpo negro, o ciertas reacciones químicas productoras de especies excitadas, no son plasmas, sin embargo, lo son la mayoría de los cuerpos luminosos.
Bombilla de incandescencia
Los Plasmas se clasifican según la energía media (o temperatura) de sus partículas pesadas (iones y especies neutras). Un primer tipo son los Plasmas calientes, prácticamente ionizados en su totalidad, y con sus electrones en equilibrio térmico con las partículas más pesadas. Su caso extremo son los Plasmas de Fusión, que alcanzan hasta 108 K, lo que permite a los núcleos chocar entre sí, superando las enormes fuerzas repulsivas internucleares, y lñograr su fusión. Puede producirse a presiones desde 1017 Pa, como en los núcleos estelares, hasta un Pa, como en los reactores experimentales de fusión.
Los reactores de fusión nuclear prácticos están ahora un poco más cerca de la realidad gracias a nuevos experimentos con el reactor experimental Alcator C-Mod del MIT. Este reactor es, de entre todos los de fusión nuclear ubicados en universidades, el de mayor rendimiento en el mundo.
Los nuevos experimentos han revelado un conjunto de parámetros de funcionamiento del reactor, lo que se denomina “modo” de operación, que podría proporcionar una solución a un viejo problema de funcionamiento: cómo mantener el calor firmemente confinado en el gas caliente cargado (llamado plasma) dentro del reactor, y a la vez permitir que las partículas contaminantes, las cuales pueden interferir en la reacción de fusión, escapen y puedan ser retiradas de la cámara.
Otros Plasmas son los llamados térmicos, con electrones y especies pesadas en equilibrio, pero a menor temperatura ~ 103 – 104 K, y grados de ionización intermedios, son por ejemplo los rayos de las tormentas o las descargas en arcos usadas en iluminación o para soldadura, que ocurren entre 105 y ~ 102 Pa. Otro tipo de Plasma muy diferente es el de los Plasmas fríos, que suelen darse a bajas presiones ( < 102 Pa), y presentan grados de ionización mucho menores ~ 10-4 – 10-6. En ellos, los electrones pueden alcanzar temperaturas ~ 105 K, mientras iones y neutros se hallan a temperatura ambiente. Algunos ejemplos son las lámparas de bajo consumo y los Plasmas generados en multitud de reactores industriales para producción de películas delgadas y tratamientos superficiales.
El Observatorio Espacial Herschel de la ESA ha puesto de manifiesto las moléculas orgánicas que son la llave para la vida en la Nebulosa de Orión, una de las regiones más espectaculares de formación estelar en nuestra Vía Láctea. Este detallado espectro, obtenido con el Instrumento Heterodino para el Infrarrojo Lejano (Heterodyne Instrument for the Far Infrared, HIFI) es una primera ilustración del enorme potencial de Herschel-HIFI para desvelar los mecanismos de formación de moléculas orgánicas en el espacio. Y, para que todo eso sea posible, los Plasmas tienen que andar muy cerca.
En los Plasmas calientes de precursores moleculares, cuanto mayor es la ionización del gas, más elevado es el grado de disociación molecular, hasta poder constar solo de electrones y especies atómicas neutras o cargadas; en cambio, los Plasmas fríos procedentes de especies moleculares contienen gran proporción de moléculas y una pequeña parte de iones y radicales, que son justamente quienes proporcionan al Plasma su característica más importante: su altísima reactividad química, pese a la baja temperatura.
En la Naturaleza existen Plasmas fríos moleculares, por ejemplo, en ciertas regiones de las nubes interestelares y en las ionosfera de la Tierra y otros planetas o satélites. Pero también son producidos actualmente por el ser humano en gran variedad para investigación y multitud de aplicaciones.
En un número de la Revista Española de Física dedicado al vacío, el tema resulta muy apropiado pues no pudieron generarse Plasmas estables en descargas eléctricas hasta no disponer de la tecnología necesaria para mantener presiones suficientemente bajas; y en el Universo, aparecen Plasmas fríos hasta presiones de 10 ⁻ ¹⁰ Pascales, inalcanzable por el hombre.
Lo que ocurre en las Nubes moleculares es tan fantástico que, llegan a conseguir los elementos necesarios para la vida prebiótica que, tras los parámetros adecuados dan lugar al surgir de la vida.
El papel de las moléculas en Astronomía se ha convertido en un área importante desde el descubrimiento de las primeras especies poliatómicas en el medio interestelar. Durante más de 30 años, han sido descubiertas más de 150 especies moleculares en el medio interestelar y gracias al análisis espectral de la radiación. Muchas resultan muy exóticas para estándares terrestres (iones, radicales) pero buena parte de estas pueden reproducirse en Plasma de Laboratorio. Aparte del interés intrínseco y riqueza de procesos químicos que implican, estas especies influyen en la aparición de nuevas estrellas por su capacidad de absorber y radiar la energía resultante del colapso gravitatorio, y de facilitar la neutralización global de cargas, mucho más eficientemente que los átomos.
Su formación en el espacio comienza con la eyección de materia al medio interestelar por estrellas en sus últimas fases de evolución y la transformación de éstas por radiación ultravioleta, rayos cósmicos y colisiones; acabando con su incorporación a nuevas estrellas y Sistemas planetarios, en un proceso cíclico de miles de millones de años.
En las explosiones supernovas se producen importantes transformaciones en la materia que, de simple se transforma en compleja y dan lugar a todas esas nuevas especies de moléculas que nutren los nuevos mundos.
El H₂ y otras moléculas diatómicas homonucleares carecen de espectro rotacional. Detectando las débiles emisiones cuadrupolares del H₂ en infrarrojo, se ha estimado una proporción de H₂ frente a H abrumadoramente alto ( ~ 104) en Nubes Interestelares con densidades típicas de ~ 104 partículas /cm3; pero dada la insuficiente asociación radiativa del H para formar H2, ya mencionada, el H2 debe producirse en las superficies de granos de polvo interestelar de Carbono y Silicio, con diámetros ~ 1 nm— μm, relativamente abundantes en estas nubes.
Experimentos muy recientes de desorción programada sobre silicatos ultrafríos, demuestran que tal recombinación ocurren realmente vía el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood, si bien los modelos que expliquen las concentraciones de H2 aún deben ser mejorados.
Por otro lado, ciertas regiones de las nubes en etapas libres de condensación estelar presentan grados de ionización ~ 10-8 – 10-7 a temperaturas de ~ 10 K. La ionización inicial corresponde principalmente al H2 para formar H2 +, que reacciona eficientemente con H2, dando H3 + + H (k = 2• 10-9 cm3 • s-1.
El H3, de estructura triangular, no reacciona con H2 y resulta por ello muy “estable” y abundante en esas regiones de Nebulosas intelestelares, donde ha sido detectado mediante sus absorciones infrarrojas caracterizadas por primera vez en 1980 en descargas de H2 en Laboratorio.
La constelación de Orión contiene mucho más de lo que se puede ver, ahí están presentes los elementos que como el H2 que venimos mencionando, tras procesos complejos y naturales llegan a conseguir otras formaciones y dan lugar a la parición de moléculas significativas como el H2O o HCN y una gran variedad de Hidrocarburos, que podrían contribuir a explicar en un futuro próximo, hasta el origen de la vida.
La detección por espectroscopia infrarroja de COH+ y N2H+, formados en reacciones con H3 + a partir de CO y N2, permite estimar la proporción de N2/CO existente en esas regiones, ya que el N2 no emite infrarrojos. Descargas de H2 a baja presión con trazas de las otras especies en Laboratorio conducen casi instantáneamente a la aparición de tales iones y moléculas, y su caracterización puede contribuir a la comprensión de este tipo de procesos.
Así amigos míos, hemos llegado a conocer (al menos en parte), algunos de los procesos asombrosos que se producen continuamente en el Espacio Interestelar, en esa Nebulosas que, captadas por el Hubble u otros telescopios, miramos asombrados maravillandonos de sus colores que, en realidad, llevan mensajes que nos están diciendo el por qué se producen y que elementos son los causantes de que brillen deslumbrantes cuando la radiación estelar choca de lleno en esas nubes en la que nacen las estrellas y los nuevos mundos…y, si me apurais un poco, también la vida.
emilio silvera
“La curvatura del espacio–tiempo es una de las principales consecuencias de la teoría de la relatividad general de acuerdo con la cual la gravedad es efecto o consecuencia de la geometría curva del espacio–tiempo.”
Hay que entender que el espacio-tiempo es la única descripción en cuatro dimensiones del Universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo.
De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.Curvatura del Espacio.
El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como los son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio-tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio-tiempo se denomina por el nombre de línea de Universo. La relatividad general, nos explica lo que es un espacio-tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.
La curvatura del espacio tiempo es la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos.
En una singularidad , la densidad de materia es tanta que la fuerza de gravedad que allí se emite, paraliza el Tiempo y curva el espacio sobre sí mismo
La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio-tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el Universo y, nos dice que, el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o Galaxias (entre otros).
En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180º. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es en esencia, lo que ocurre en relatividad general.
Si pudiéramos viajar a la velocidad de la luz se producirían fenómenos extraños en relación a los que no viajaran a esa velocidad.
Los efectos de c (la velocidad de la luz en el espacio vacío). Recordad la paradoja de los gemelos: el primero hace un viaje a la velocidad de la luz hasta Alfa de Centauri y regresa, cuando baja de la nave espacial, tiene 8,6 años más que cuando partió de la Tierra. Sin embargo, el segundo gemelo que esperó en el planeta Tierra, el regreso de su hermano, era ya un viejo jubilado. El tiempo transcurrido había pasado más lento para el gemelo viajero. La velocidad relantiza el transcurrir del tiempo.
Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E= mc2 que, nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.
“Esquema sobre la contracción de Lorentz. (X′,cT′) representan las coordenadas de un observador en reposo a una barra, mientras que (X,cT) son las coordenadas de otro observador en movimiento con respecto a dicha barra. Por la naturaleza pseudoeuclídea del espacio-tiempo aun cuando el primer observador mide una longitud l, el segundo mide una longitud menor l/γ < l.”
Diagrama de Minkowski del experimento mental de Einstein sobre la contracción de la longitud (1911). Dos barras con longitud en reposo A ′ B ′ = A ″ B ″ = L …
Hay otras implicaciones dentro de esta maravillosa teoría de la relatividad especial, ahí está presente también la contracción de Lorentz. Un objeto que se mueve a velocidad de cercana a c, se achata o contrae en el sentido de la marcha, y, además, a medida que se acerca a la velocidad de la luz (299.752,458 Km/s), su masa va aumentando y su velocidad disminuyendo.
Así se ha demostrado con muones en los aceleradores de partículas que, lanzados a verlocidades relativista, han alcanzado una masa en 10 veces superior a la suya.
Esto quiere decir que la fuerza de inercia que se le está transmitiendo a la nave (por ejemplo), cuando se acerca a la velocidad de la luz, se convierte en masa.
Así queda demostrado que, masa y energía son dos aspectos de la misma cosa E=mc2.
Seguiremos con otras cuestiones de interés.
Hay que entender que el espacio-tiempo es la única descripción en cuatro dimensiones del Universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo.
Un nuevo modelo físico propio
Einstein y sus paradojas sobre tiempo y espacio –
De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.
El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como los son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio-tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio-tiempo se denomina por el nombre de línea de Universo. La relatividad general, nos explica lo que es un espacio-tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.
En presencia de grandes masas (estrellas,mundos, galaxias…) El Espaciotiempo se transforma, la geometría del Universo la determina la fuerza de Gravedad.
La curvatura del espacio tiempo es la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos.
La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio-tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el Universo y, nos dice que, el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o Galaxias (entre otros).
En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180º. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es en esencia, lo que ocurre en relatividad general.
Otra curiosidad de la relatividad especial es la que expresó Einstein mediante su famosa fórmula de E= mc2 que, nos viene a decir que masa y energía son dos aspectos de una misma cosa. Podríamos considerar que la masa (materia), es energía congelada. La bomba atómica demuestra la certeza de esta ecuación.
En el LHC haces de muones lanzados a velocidades relativistas, aumentaron su masa 10 veces
Así se ha demostrado con muones en los aceleradores de partículas que, lanzados a velocidades relativista, han alcanzado una masa en 10 veces superior a la suya.
Esto quiere decir que la fuerza de inercia que se le está transmitiendo a la nave (por ejemplo), cuando se acerca a la velocidad de la luz, se convierte en masa.
Así queda demostrado que, masa y energía son dos aspectos de la misma cosa E=mc2.
Seguiremos con otras cuestiones de interés.
emilio silvera
Para el topólogo, un nudo es una curva continua, cerrada y sin puntos dobles. Esta curva está situada en un espacio de tres dimensiones y se admite que pueda ser deformada, estirada, comprimida, aunque está “prohibido” hacerle cortes. Cuando se puede, a través de diversas manipulaciones, se pasa de un nudo a otro y se dice que son equivalentes. Claro que, algunos se abstraen en cuestiones con otras, al parecer, no relacionadas.
Un viejo amigo bromeaba diciendo que el Andante en do menor de la Sinfonía Concertante de Mozart conseguía devolverle a su intimidad anímica de partida, y que por eso, en su opinión, plasmaba de forma inefable el tiempo cíclico, o mejor aún, una CTC (“curva de género de tiempo cerrada”). Y transcurridos los doce minutos que dura ese movimiento, volvíamos a escucharlo una vez más. Mientras, discutíamos sin cesar sobre el tiempo, esa abstracción de la Mente que nadie ha sabido explicar.
No es bueno perder la perspectiva
Hay un tiempo para cada cosa. Un tiempo para soñar, inconmensurable, un tiempo para vivir, siempre corto, un tiempo para filosofar, misterioso,…, y un tiempo para la ciencia, sujeto a número.
Me gustaría empezar definiendo el tiempo, pero no sé. Sesudos pensadores, como Platón y Aristóteles, lo ensayaron con brillantez. El tiempo es una imagen móvil de la eternidad. Esta imagen es eterna, pero se mueve según número, dirá Platón en el TIMEO. El tiempo es el número de movimiento según el antes y el después…El tiempo no es movimiento, sino movimiento en tanto en cuanto admite enumeración. El tiempo es una especie de número. El tiempo es obviamente aquello que se cuenta, no aquello con lo cual contamos, escribirá Aristóteles en su FÍSICA.
Alguna vez, en simbiosis con la Naturaleza, podemos sentir como se ha parado el tiempo
Son definiciones muy sugestivas, aunque teñidas de circularidad: movimiento en el tiempo, tiempo a través del movimiento. Agustín de Hipona vio esto claramente. Célebre es asimismo su declaración: Si nemo a me quaerat, scio; si quaerenti explicari velim, nescio (CONFESIONES). En uno de los análisis más penetrantes del tema, sugirió Agustín la Mente como fuente de tiempo: En ti es, mente mía, donde mido los tiempos.
Time is what happens when nothing else happens, afirma Feynman; para a continuación advertir que toda definición del tiempo es necesariamente circular, y que lo importante no es decir qué es el tiempo, sino decir cómo se mide lo que llamamos tiempo. En su enciclopédico tratado sobre la gravitación, Misner, Thorne y Wheeler nos recuerdan de forma sencilla y profunda lo que toda medida del tiempo físico debe cumplir: Time is defined so that motion looks simple.
El tiempo es un concepto inventado por el hombre para ordenar, primero, sus sensaciones y actos, y luego, los fenómenos. Decían los escolásticos: Tempus est ens rationis cum fundamento in re. La primera unidad natural debió ser el día, por la ciclidad conspicua de las salidas del Sol. Los grandes avances científicos y tecnológicos a lo largo de los siglos han estado vinculados a los adelantos en la precisión con que se ha ido midiendo el tiempo. Hoy disponemos de relojes que aseguran un segundo en 20 millones de años, y el paso de la femtoquímica a la attofísica empieza a ser una realidad.
La sensación engañosa de que todo sigue igual, de que es eterno…
No pocas veces nos podemos ver perdidos en la vorágine de lo que llamamos tiempo, algo tan enorme que, en realidad, no sabemos lo que es. No lo hemos llegado a comprender, y, por si fuera poco, tampoco sabemos, si en realidad existe.
El tiempo antes de Einstein no era lo que después él postulaba
La física nació en torno al tiempo. Las regularidades en los ciclos astrales permitieron al acierto en las predicciones apoyadas en esta periodicidad, y con ello despertó sin duda la confianza del hombre en la racionalidad, inclinándole a escoger el cosmos frente al caos.
Breve historia de la medida del tiempo
La longitud de las sombras fue uno de los primeros métodos usados para fijar las horas. En el Museo Egipcio de Berlín hay un fragmento de piedra que posiblemente sea de un reloj de sol de alrededor de 1500 a.C. Los babilonios desarrollaron los relojes de sol, y se dice que el astrónomo Anaximandro de Mileto los introdujo en Grecia en el siglo VI a.C.
En el siglo II a C, Eratóstenes, de la biblioteca de Alejandría, concibió y llevó a cabo la primera medida de las dimensiones de la Tierra de la que se tiene noticia. En el Año Internacional de la Astronomía, una de las actividades que se llevaron a cabo fue, precisamente averiguar el radio terrestre por el mismo método.
Aparte de relojes de sol, en la antigüedad se usaron también relojes de arena, de agua, cirios y lámparas de aceite graduadas.
En la segunda mitad del siglo XIII aparecen los primeros relojes mecánicos. Su precisión era muy baja (10-20%). En el XIV se mejoran, con el invento del escape de rueda catalina, y ya se alcanzan precisiones de 20 a 30 minutos por día (1-2%). Por allá al año 1345 se empieza a dividir las horas en minutos y segundos.
El tiempo físico asoma en el siglo XIV, en el Merton College Oxford y luego en la Universidad de París, con Oresme. Se representa en una línea horizontal, mientras en vertical se disponen las cualidades variables. Son los primeros gráficos de función (en este caso, función del tiempo). La cinemática celeste brinda un buen reloj a través de la segunda ley de Kepler, midiendo tiempos mediante áreas. La ley armónica de Kepler permitirá medirlos a través de longitudes. Galileo desarrolló la cinemática terrestre, y sugirió el reloj de péndulo. A Huygens debemos la técnica de medida del tiempo que ha llegado a nuestros días, y que suministró relojes más precisos y transportables mediante volantes oscilatorios acoplados a resortes de calidad.
Diseño del reloj de péndulo de Huygens, 1656 (imagen de dominio público).
La importancia, no sólo científica sino económica, de disponer de relojes precisos y estables, queda reflejada en el premio ofrecido por el gobierno inglés de la reina Ana en 1714, que dispuso that a reward be settled by Parliament upon such person o persons as shall discover a more certain and practicable method of ascertainig longitude that any yet in practice. La recompensa era de 20, 000 libras para el que presentara un cronómetro capaz de determinar la longitud con error menor de 30´ de arco al término de un viaje a las Indias occidentales, equivalente a mantener el tiempo con error menor de 2 minutos tras seis semanas de viaje. Se la llevó casi medio siglo después el relojero británico John Harrison (1693-1776), con un reloj, conocido como H4, que incorporaba correcciones por variación en la temperatura, y que en un primer viaje de 81 días desde Porstmouth a Puerto Real (Jamaica) en 1761-62 se retrasó 5 s, esto es, de precisión 10⁻⁶ (10; 44).
Después se pasó a los de diapasón, de aquí a los de cuarzo, y hoy los atómicos ofrecen precisiones desde 10⁻¹² – 10⁻¹⁵ (Cs) hasta 10⁻¹⁶ (máser de H).
Una red de relojes atómicos de cesio, sincronizados mediante ondas de radio, velan actualmente por la exactitud de la hora sobre el planeta. Como señala Davies (10), ya no nos sirve como cronómetro el giro de la Tierra alrededor de su eje. Aunque durante siglos ha sido este viejo trompo un magnífico reloj de referencia, la falta de uniformidad de su giro (las mareas, por ejemplo, lo frenan incesantemente y alargan con ello el día en un par de milésimas de segundo por siglo, perceptible para los finos cronómetros actuales), y otras desviaciones estacionales, cuantitativamente similares a estos retrasos seculares, pero irregulares y de signo variable, son circunstancias que en conjunto obligan a añadir al tiempo civil un segundo intercalar cada uno o dos años (el último lo fue el 1 de enero de 1999, a las 0 horas) con el fin de remediar la asincronía entre los tiempos atómicos y los días astronómicos. El día no tiene 86 400 s justos (donde el segundo se define como la duración de 9 192 631 770 períodos de una determinada vibración de los átomos de Cs. Hoy la tecnología alcanza precisiones fabulosas: relojes que en treinta millones de años se desviarían a lo sumo en un diminuto segundo, como el NIST-F1 (Boulder, Colorado).
Por norma general y para mayor exactitud del sistema, dentro del campo visual de cualquier receptor GPS siempre hay por lo menos 8 satélites presentes. Cada uno de esos satélites mide 5 m de largo y pesa 860 kg . La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosadas a sus costados. Están equipados con un transmisor de señales codificadas de alta frecuencia, un sistema de computación y un reloj atómico de cesio, tan exacto que solamente se atrasa un segundo cada 30 mil años.
La posición que ocupan los satélites en sus respectivas órbitas facilita que el receptor GPS reciba, de forma constante y simultánea, las señales de por lo menos 6 u 8 de ellos, independientemente del sitio donde nos encontremos situado. Mientras más señales capte el receptor GPS, más precisión tendrá para determinar las coordenadas donde se encuentra situado.
Incluso hay relojes de pulsera comerciales (receptores de señales de radio) con precisión de un segundo por millón de años garantizada por un reloj atómico en una lejana estación. La naturaleza de altísima precisión: la estabilidad del púlsar binario b1855+09 puede ser de unas partes en 10¹⁵ o incluso mejor.
El tiempo en Newton:
En los PRINCIPIA, Newton empieza con una renuncia a definir el tiempo: El tiempo, el espacio, el lugar y el movimiento son de todos bien conocidos. Y no los defino. Pero digo que el vulgo no concibe esas cantidades más que por su relación a cosas sensibles. Para evitar ciertos prejuicios que de aquí se originan, es conveniente distinguirlas en absolutas y relativas, verdaderas y aparentes, matemáticas y vulgares.
A continuación, sin embargo, Newton se arrepiente de su primer impulso y aclara: El tiempo absoluto, verdadero y matemático, de suyo y por su propia naturaleza fluye uniformemente sin relación a nada externo y se llama también duración: el tiempo relativo, aparente y vulgar es cualquier medida sensible y externa (exacta o no uniforme) de la duración por medio del movimiento y se usa vulgarmente en lugar del tiempo verdadero: tal como la hora, el día, el mes, el año.
Sabemos del fluir del tiempo por el cambio que se produce en nuestro Universo, en el Mundo, en Nuestras Vidas. Con el paso del Tiempo las cosas cambian y nada permanece. Por eso sabemos que está ahí
¿Qué significa que el tiempo fluye? ¿Qué el tiempo “se mueve en el tiempo”? De nuevo la pescadilla mordiéndose la cola. El absolutismo del tiempo newtoniano recibió encendidas críticas. Leibniz opuso su idea de espacio y tiempos puramente relativos, el primero como un orden de coexistencia, el segundo como un orden de sucesiones de las cosas; ambos, espacio y tiempo, son phœnomena bene fundata. Los argumentos dinámicos con que Newton arropa su tesis de la naturaleza absoluta de la rotación y con ello la de un espacio absoluto, apoyo posterior para el tiempo absoluto, también hallan fuertes objeciones. Para Berkeley esas razones de Newton lo único que muestran es la importancia del giro respecto de las masas lejanas del Universo y no respecto de un espacio absoluto, que él no acepta. Ernst Mach, en la segunda mitad del XIX, insistirá decididamente en este punto de vista, y desde su positivismo acosará los absolutos newtonianos. De “medieval”, “no científico”, “metafísico”, tilda Mach a Newton: No tenemos derecho a hablar de un tiempo “absoluto”: de un tiempo independiente de todo cambio. Tal tiempo absoluto no puede medirse por comparación con ningún movimiento; por tanto no tiene valor práctico ni científico, y nadie tiene derecho a decir que sabe algo de él. Es una concepción metafísica vana.
El tiempo en Einstein:
El tiempo newtoniano, absoluto, el nos es familiar, tuvo que dejar paso al tiempo einsteniano, mutable y relativo, con tantos “ahora” por suceso cuantos estados de movimiento mutuo imaginemos.
El tercero de los trabajo enviados por Albert Einstein (AE) en su Annus Mirabilis de 1905 a Annalen der Physik lleva por título “Zur Elektrodynamik Bewegter Körper” (“Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”). Junto con el quinto, titulado “Ist der Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?” (“¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido de energía?”), constituyen lo que hoy se llama TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD.
Velocidad de la luz desde la Tierra a la Luna, situada a más de 380.000 km.
Da Albert Einstein un par de razones para justificar su tercer trabajo:
- La insatisfacción que le produce la asimetría en la descripción maxwelliana de los fenómenos electromagnéticos: la acción entre un conductor y un imán depende solo del movimiento relativo entre ambos, pero la teoría de Maxwell distingue entre el caso de conductor en reposo y el caso de imán en reposo: a) En el primer caso el campo magnético móvil engendra un campo eléctrico, con una energía determinada, que a su vez produce corrientes en el conductor en reposo. b) En el segundo caso, no se produce ningún campo electrónico, sino una fuerza electromotriz en el conductor, sin energía asociada, que engendra una corriente como en el caso anterior.
- La incapacidad de la óptica y del electromagnetismo (EM) para detectar el movimiento respecto del lichtmedium, es decir, de un inercial privilegiado. Esto le sugiere que la óptica y el EM tienen las mismas ecuaciones en todos los inerciales (sistemas en los que las leyes de la mecánica de Newton son las mismas). Y AE eleva esto a un principio, que llama “Prinzip der Relativität”, y le añade un compañero, aparentemente incompatible con él: “La velocidad de la luz en vacío es siempre la misma, con independencia del estado de movimiento del cuerpo emisor”
¿Será ese de arriba el rayo de luz de Einstein, o, por el contrario, será un asteroide que se nos viene encima?
Siendo todavía muy joven, en 1895-1896, ya le preocupaba el EM y la luz, como recordaba en 1955: “Si persiguiéramos a la velocidad de la luz un rayo de luz, veríamos una onda independiente del tiempo. ¡Tal cosa, sin embargo, no existe! Este fue el primer experimento mental, infantil, en relación con la teoría especial de la relatividad”.
Este tercer trabajo de Einstein en 1905 no contiene ninguna referencia a otros trabajos, ni suyos ni de otros (como Lorentz o Poincaré).
Consciente de que su postulado de la constancia de la velocidad de la luz choca frontalmente con la ley galileana de adición de velocidades, Albert Einstein revisa los cimientos de la Física, empezando por definir físicamente y con sumo cuidado el concepto de Gleichzeitigkeit o simultaneidad entre sucesos. Considera un sistema inercial, para el que supone válida la geometría euclidiana para calcular distancias entre objetos estacionarios a través de sus coordenadas respecto de sus ejes cartesianos. Si A, B son dos observadores estacionarios, provistos de relojes iguales, y A (B) manda una señal luminosa a B (A), quien la devuelve sin tardanza a A (B), diremos que el reloj de A está sincronizado con el reloj de B si
t(B) – t(A) = t’(A) – t(B),
donde t(A) es el tiempo marcado por el reloj de A cuando envía la señal a B, t(B) lo que marca el reloj de B al llegarle la señal de A y reemitirla, y t’(A) la lectura del reloj de A al recibir la devolución de B.
No parece el mejor método para medir la velocidad de la luz, el empleado por Galileo. Claro que, en aquellos tiempos…¿Qué se podía hacer?
Supone Albert Einstein que esta definición no lleva a contradicciones, que es en principio posible entre cualquier par de observadores estacionarios en el inercial, y que la relación de sincronización anterior es de equivalencia: Si A está sincronizada con B, también B lo está con A, y si además B lo está con C, también A y C lo están. A esto le siguen ecuaciones que quiero obviar para no dar complejidad al trabajo.
No existe “el” presente
Pasa Albert Einstein a enunciar con precisión el principio de relatividad y el postulado de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío:
- Las leyes que rigen los cambios de los sistemas físicos son las mismas en todos los inerciales.
- Todo rayo de luz se mueve en cualquier inercial con una misma velocidad, c, independientemente del movimiento de su fuente.
Como consecuencia, demuestra que el concepto de sincronía, y por ende de simultaneidad, es relativo, no absoluto. La noción de “presente”, “ahora” o cualquier instante determinado depende del referencial inercial.
Algunos incluso hablaron de ernegía taquiónica
¿Más rápido que la luz?
¿Existen partículas que se muevan con velocidad superior a la de la luz? Sí; por ejemplo, cualquier partícula que lleve en agua, a temperatura entre 0 y 50 ºC, una velocidad ν > c / n, n = 1.3, irá más deprisa en ese medio que los fotones del espectro visible. Lo mismo ocurre con la mayoría de los rayos cósmicos que llegan a la atmósfera; son superlumínicos en relación con la velocidad de la luz en el aire. Precisamente en esta posibilidad de rebasar la velocidad de la luz en un medio reside el efecto Cherenkov.
Lo que no se conocen son taquiones, o partículas que se muevan más deprisa que la luz en el vacío. Si existieran, podrían utilizarse para mandar información al pasado. Violando el orden causa-efecto. Por ello se “decreta” su inexistencia.
En fin, que la velocidad de la luz en el vacío, al menos que sepamos, es infranqueable. Es un límite impuesto por la Naturaleza al que habrá que vencer, no superándolo (que no se puede), sino mediante una artimaña física inteligente que logre burlar dicho límite.
Aparte de algún que otro añadido, el artículo (parcialmente expuesto aquí -se obviaron partes complejas), es del Físico de la Universidad Complutense D. Alberto Galindo Tixaire. Fue publicado en el Volumen 19, número 1 de la Revista Española de Física en 2005 Año Mundial de la Física
En realidad, un Homenaje a Einstein por haber pasado más de un siglo desde aquel acontecimiento memorable de la Relatividad Especial en el año 1.905 y estar a punto de cumplirse otro siglo desde su relatividad general de 1905. Dos acontecimientos que marcaron el camino de la Física y la Cosmología. Precisamente ahora, se cumplen los 100 años desde que Einstein diera al mundo la segunda parte de su Teoría.
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