Miramos la Naturaleza y su asombrosa belleza, y, no siempre podemos explicar lo que vemos. Miramos el Universo y sus maravillas y sólo podemos asombrarnos.  Nos pasamos todo el tiempo haciendo preguntas que, la mayoría de las veces nadie sabe contestar. Aprendemos a base de equivocarnos una y otra vez y, la observación y el estudio, la teoría y las matemáticas nos han llevado a discernir en qué lugar estamos pero… ¿No habremos tomado el camino hacia ninguna parte?

“¿Dónde estaríamos nosotros cuando se conformaron los cimientos de la Tierra?”

 

El titulo de ésta pagína es la pregunta que se hicieron los filósofos desde tiempos inmemoriales, y, en relación a las preguntas que se plantean, con los conocimientos que actualmente tenemos podríamos exponer diverdsas respuestas que serían el resultado de las distintas perspectivas que, cada una de ellas, pueden mostrarnos. Lo cierto es que, a ciencia cierta, nadie sabría contestar y todas esas posibles respuestas serían aproximaciones más o menos acertadas a los problemas planteados.

                    Muchas cosas han pasado desde que se formó la Tierra hasta llegar a nuestros días

La Tierra primigenia era un planeta igneo que se enfrió poco a poco y se formaron los océanos y la atmósfera para que, más tarde, pudiera surgir la vida.

“Nosotros, los humanos, llegamos muchísimo más tarde, cuando los materiales que formaron la Tierra estaban más fríos y se formaron los océanos, cuando había ya una atmósfera y, lo cierto es que, los materiales que hicieron posible nuestra presencia aquí, estaban en aquella nebulosa que se esparcía en el esapcio interestelar que hoy ocupa nuestro Sistema solar, una supernova hace ahora miles de millones de años, fue el pistoletazo de salida. Después, el Tiempo, aliado con la materia y la fuerza de gravedad, hicieron posible que surgiera el Sol y, a su alrededor, los planetas y lunas de nuestro entorno, y, con la ayuda de lo que hemos llamado evolución y los ingredientes precisos de atmósfera, agua, radioactividad y otros parámetros necesarios, surgío aquella primera célula replicante que lo comenzó todo, es decir, la aventura de la Vida.”

 

 

            Una Tierra ignea, incandescente, sin vida

Todas estas explicaciones, son muy pobres para describir los acontecimientos que aquí tuvieron lugar antes de que nosotros hiciéramos acto de presencia como seres humanos verdaderos. Ya me gustaría saber para poder contestar a todas las preguntas que me plantean.

La especulación sobre el origen del Universo es una vieja y destacada actividad humana. Vieja por el simple hecho de que la especie humana, no tiene ningún certificado de nacimiento y, tal desconocimiento de sus orígenes, les hace ser curiosos, deseosos de saber el por qué están aquí y pudo suceder su venida. Estamos obligados a investigar nuestros orígenes nosotros sólos, sin la ayuda de nadie, es el caso que, ningún ser inteligente nos puede contar lo que pasó y, siendo así, nos vemos abocados a tener que hurgar en el pasado y valernos de mil ingeniosos sistemas para tratar de saber. Así que, si investigamos sobre el mundo del que formamos parte, esas pesquisas terminarán por decirnos más, sobre nosotros mismos que sobre el universo que pretendemos describir. En realidad, todos esos pensamientos, que no pocas veces mezclan lo imaginario con la realidad, todo eso, en cierta medida, son proyecciones psicológicas, esquemas proyectados por nuestras mentes sobre el cielo, como sombras danzantes de un fuego fatuo que no siempre nos transmite algún mensaje.

Aquellos mitos de la creación precientíficos dependían en su supervivencia menos de su acuerdo con los datos de la observación (de los que, de todos modos había pocos) que del grado en que eran satisfactorios, o tranquilizantes  o poéticamente atractivos. Aficionados a ellos puesto que eran nuestros, esos cuentos poníann de relieve lo que más importaba a las sociedades que los conservaban. Los sumerios vivían en una confluencia de ríos, y, concebían la creación como una lucha en el barro entre dos dioses. Los mayas, obsesionados por los juegos de balón, conjeturaban que su creador se transformaba en balón cada vez que planeta Venus desaparecía detrás del Sol. El pescador tahitiano, hablaba de un dios pescador que arrastro sus islas desde el fondo del océano. Los espadachines japoneses formaron sus islas de gotas de sangre que caían de una espada cósmica. Para los griegos amantes de la lógica, la creación fue obra de los elementos: Para Tales de Mileto, el universo originalmente fue Agua; para Anaxímedes, fue Aire; para Heráclito, Fuego…Todos los pueblos tenían su propia génesis… Y, ¿cuál será la nuestra?

En Cosmología, las condiciones “iniciales” raramente son absolutamente iniciales, pues nadie sabe como calcular el estado de la materia y el espacio-tiempo antes del Tiempo de Planck, que culminó alrededor de 10^-43 de segundo después del comienzo del tiempo. ¿Qué pasó en ese brevísimo intervalo de tiempo? Nadie lo sabe. Pero, a pesar de ello, nosotros pretendemos saber cómo comenzamos nuestra andadura en este mundo que, en realidad, comenzó en otro lugar muy lejano y muy caliente.

Es verdaderamente encomiable la pertinaz insistencia del ser humano por saber, y, en el ámbito de la Astronomía, desde los más remotos “tiempos” que podamos recordar o de los que tenemos alguna razón, nuestra especie ha estado interesada en saber, el origen de los objetos celestes, los mecanismos que rigen sus movimientos y las fuerzas que están presentes.

         Nuestros ancestros miraban asombrados la salida y puesta del Sol

Claro que, nosotros, los Humanos, llevamos aquí el tiempo de un parpadeo del ojo si lo comparamos con el Tiempo del Universo. Sin embargo, nos hemos valido de todos los medios posibles para llegar al entendimiento de las cosas, incluso sabemos del pasado a través del descubrimiento de la vida media de los elementos y mediante algo que denominamos datación, como la del Carbono 14, podemos saber de la edad de muchos objetos que, de otra manera, sería imposible averiguar. La vida de los elementos es muy útil y, al mismo tiempo, nos habla de que todo en el Universo tiene un Tiempo Marcado. Por ejemplo, la vida media del Uranio 238 sabemos que es de 4.000 millones de años, y, la del Rubidio tiene la matusalénica vida media de 47.000 millones de años, varias veces la edad que tiene el Universo.

Hablaremos ahora del Big Bang (lo único que tenemos para agarrarnos a lo que “parece que fue”), esa teoría aceptada por todos y que trata de explicar cómo se formó nuestro universo y comenzó su evolución hasta llegar a ser como ahora lo podemos observar. De acuerdo a esta teoría, el universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, la temperatura y la densidad eran infinitas.

La mayoría de los cosmólogos interpretan singularidad una indicación de que la realtividad general de Einstein deja de ser válida en el universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

El Tiempo de Planck es una unidad de tiempo considerada como el intervalo temporal más pequeño que ser medido. Se denota mediante el símbolo t_P. En cosmología, el Tiempo de Planck representa el instante de tiempo más antiguo en el que las leyes de la física pueden ser utilizadas para estudiar la Naturaleza y evolución del Universo. Se determina como combinación de otras constantes físicas en la siguiente:

  5.39124(27) × 10⁻⁴³ segundos

Esta que es una de las célebres unidades de Planck, está formada por una combinación de la constante de estructura fina racionalizada (, la constante gravitacional (G), y la velocidad de la luz elevada a la quinta potencia.

La Era de planck: Es la era que comenzó cuando el efecto gravitacional de la materia empezó a dominar sobre el efecto de presión de radiación. Aunque la radiación es no masiva, tiene un efecto gravitacional que aumenta con la intensidad de la radiación. Es más, a altas energías, la propia materia se comporta como la radiación electromagnética, ya que se mueve a velocidades próximas a la de la luz. En las etapas muy antíguas del universo, el ritmo de expansión se encontraba dominado por el efecto gravitacional de la presión de radiación, pero a medida que el universo se enfrió, efecto se hizo menos importante que el efecto gravitacional de la materia. Se piensa que la materia se volvió predominante a una temperatura de unos 10⁴ K, aproximadamente 30.000 años a partir del Big Bang.  Este hecho marcó el comienzo de la era de la materia.

La materia salió de ese clima de enormes temperaturas inimaginables y, durante varias etapas o eras (de la radiación, de la materia, hadrónica y bariónica… llegamos al momento presente habiendo descubierto muchos de los secretos que el Universo guardaba celosamente para que nosotros, los pudiéramos desvelar.

Era de la radiación

Periodo 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 después del Big Bang… Durante periodo, la expansión del universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación). De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación. La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual los partículas lentas dominaron la expansión del universo.

Era hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, protones, neutrones, piones, kaones entre otras. del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres. El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón. Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones. Inmediatamente después de esto el universo entró en la era leptónica.

Era Leptónica

Intervalo que comenzó 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del universo. Se crearon pares de leptones y antileptones en gran en el universo primitivo, pero a medida que el universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas. La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación. El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ K, más o un segundo después del Big Bang. Después, los leptones  se unieron a los hadrónes formar átomos.

El universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo ( he dicho) el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del universo se conoce como cosmología. Los cosmólogos distinguen al 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 física como por ejemplo, el universo de Friedmann o el universo de Einstein-de Sitter. El universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

En 1932 Einstein y de Sitter propusieron que la constante cosmológica debe tomar valor cero, y construyeron un modelo cosmológico homogéneo e isótropo que representa el caso intermedio los modelos abierto y cerrado de Friedmann. Einstein y de Sitter supusieron que la curvatura espacial del Universo no es ni positiva ni negativa, sino nula.

La geometría espacial de modelo es por lo tanto la geometría plana de Euclides; sin embargo el espacio-tiempo en su conjunto no es plano: hay curvatura en la dirección temporal. El tiempo comienza también en una Gran Explosión y las galaxias se alejan continuamente entre sí, sin embargo la velocidad de recesión (constante de Hubble) disminuye asintóticamente a cero a medida que el tiempo avanza.

Debido a que la geometría del espacio y las propiedades de la evolución del Universo están unívocamente definidas en el modelo de Einstein-de Sitter, mucha gente lo considera el modelo más apropiado describir el Universo real.

Durante los últimos años de la década de los 70 surgió un firme soporte teórico para idea a partir de los estudios en física de partículas. Además, las observaciones experimentales sobre la densidad media del Universo apoyan esta concepción, aunque las evidencias aún no son concluyentes.

Todo esto está muy bien pero… ¿De donde venimos? ¿Hacia donde vamos? ¿Quiénes somos?

¡Si supiera contestar esas preguntas!

emilio silvera

Ahora, hablaremos de la vida media de las partículas elementales (algunas no tanto). Cuando hablamos del tiempo de vida de una partícula nos estamos refiriendo al tiempo de vida media, una partícula que no sea absolutamente estable tiene, en cada momento de su vida, la misma probabilidad de desintegrarse. Algunas partículas viven más que otras, pero la vida media es una característica de cada familia de partículas.

También podríamos utilizar el concepto de “semivida”. Si tenemos un gran número de partículas idénticas, la semivida es el tiempo que tardan en desintegrarse la mitad de ese grupo de partículas. La semivida es 0,693 veces la vida media.

Si miramos una tabla de las partículas más conocidas y familiares (fotón, electrón muón tau, la serie de neutrinos, los mesones con sus piones, kaones, etc., y, los Hadrones bariones como el protón, neutrón, lambda, sigma, psi y omega, en la que nos expliquen sus propiedades de masa, carga, espín, vida media (en segundos) y sus principales maneras de desintegración, veríamos como difieren las unas de las otras.

Algunas partículas tienen una vida media mucho más larga que otras. De hecho, la vida media difiere enormemente. Un neutrón por ejemplo, vive 10¹³ veces más que una partícula Sigma⁺, y ésta tiene una vida 10⁹ veces más larga que la partícula sigma cero. Pero si uno se da cuenta de que la escala de tiempo “natural” para una partícula elemental (que es el tiempo que tarda su estado mecánico-cuántico, o función de ondas, en evolucionar u oscilar) es aproximadamente 10ˉ²⁴ segundos, se puede decir con seguridad que todas las partículas son bastantes estables. En la jerga profesional de los físicos dicen que son “partículas estables”.

¿Cómo se determina la vida media de una partícula? Las partículas de vida larga, tales como el neutrón y el muón, tienen que ser capturadas, preferiblemente en grandes cantidades, y después se mide electrónicamente su desintegración. Las partículas comprendidas entre 10ˉ¹⁰ y 10ˉ⁸ segundos solían registrarse con una cámara de burbujas, pero actualmente se utiliza con más frecuencia la cámara de chispas. Una partícula que se mueve a través de una cámara de burbujas deja un rastro de pequeñas burbujas que puede ser fotografiado. La Cámara de chispas contiene varios grupos de de un gran número de alambres finos entrecruzados entre los que se aplica un alto voltaje. Una partícula cargada que pasa cerca de los cables produce una serie de descargas (chispas) que son registradas electrónicamente. La ventaja de esta técnica respecto a la cámara de burbujas es que la señal se puede enviar directamente a una computadora que la registra de manera muy exacta.

Una partícula eléctricamente neutra nunca deja una traza directamente, pero si sufre algún tipo de interacción que involucre partículas cargadas (bien porque colisionen con un átomo en el detector o porque se desintegren en otras partículas), entonces desde luego que pueden ser registradas. Además, realmente se coloca el aparato entre los polos de un fuerte imán. Esto hace que la trayectoria de las partículas se curve y de aquí se puede medir la velocidad de las partículas. Sin embargo, como la curva también depende de la masa de la partícula, es conveniente a veces medir también la velocidad de una forma diferente.

Una colisión entre un prtón y un antiprotón registrada mediante una cámara de chispas del experimento UA5 del CERN.

En un experimento de altas energías, la mayoría de las partículas no se mueven mucho más despacio que la velocidad de la luz. Durante su carta vida pueden llegar a viajar algunos centímetros y a partir de la longitud media de sus trazas se puede calcular su vida. Aunque las vidas comprendidas entre 10ˉ¹³ y 10ˉ²⁰ segundos son muy difíciles de medir directamente, se pueden determinar indirectamente midiendo las fuerzas por las que las partículas se pueden transformar en otras. Estas fuerzas son las responsables de la desintegración y, por lo tanto, conociéndolas se puede calcular la vida de las partículas, Así, con una pericia ilimitada los experimentadores han desarrollado todo un arsenal de técnicas para deducir hasta donde sea posible todas las propiedades de las partículas. En algunos de estos procedimientos ha sido extremadamente difícil alcanzar una precisión alta. Y, los datos y números que actualmente tenemos de cada una de las partículas conocidas, son los resultados acumulados durante muchísimos años de medidas  experimentales y de esa manera, se puede presentar una información que, si se valorara en horas de trabajo y coste de los proyectos, alcanzaría un precio descomunal pero, esa era, la única manera de ir conociendo las propiedades de los pequeños componentes de la materia.

Que la mayoría de las partículas tenga una vida media de 10ˉ⁸ segundos significa que son ¡extremadamente estables! La función de onda interna oscila más de 10²² veces/segundo. Este es el “latido natural de su corazón” con el cual se compara su vida. Estas ondas cuánticas pueden oscilar 10ˉ⁸ x 10²², que es 1¹⁴ o 100.000.000.000.000 veces antes de desintegrarse de una u otra manera. Podemos decir con toda la seguridad que la interacción responsable de tal desintegración es extremadamente débil.

Se habla de ondas cuánticas y también, de ondas gravitacionales. Las primeras han sido localizadas y las segundas están siendo perseguidas.

Aunque la vida de un neutrón sea mucho más larga (en promedio un cuarto de hora), su desintegración también se puede atribuir a la interacción débil. A propósito, algunos núcleos atómicos radiactivos también se desintegran por interacción débil, pero pueden necesitar millones e incluso miles de millones de años para ello. Esta amplia variación de vidas medias se puede explicar considerando la cantidad de energía que se libera en la desintegración. La energía se almacena en las masas de las partículas según  la bien conocida fórmula de Einstein E = Mc². Una desintegración sólo puede tener lugar si la masa total de todos los productos resultantes es menor que la masa de la partícula original. La diferencia entre ambas masas se invierte en energía de movimiento. Si la diferencia es grande, el proceso puede producirse muy rápidamente, pero a menudo la diferencia es tan pequeña que la desintegración puede durar minutos o incluso millones de años. Así, lo que determina la velocidad con la que las partículas se desintegran no es sólo la intensidad de la fuerza, sino también la cantidad de energía disponible.

Si no existiera la interacción débil, la mayoría de las partículas serían perfectamente estables. Sin embargo, la interacción por la que se desintegran las partículas π°, η y Σ° es la electromagnética. Se observará que estas partículas tienen una vida media mucho más corta, aparentemente, la interacción electromagnética es mucho más fuerte que la interacción débil.

Durante la década de 1950 y 1960 aparecieron tal enjambre de partículas que dio lugar a esa famosa anécdota de Fermi cuando dijo: “Si llego a adivinar esto me hubiera dedicado a la botánica.”

Si la vida de una partícula  es tan corta como 10ˉ²³ segundos, el proceso de desintegración tiene un efecto en la energía necesaria para producir las partículas ante de que se desintegre. Para explicar esto, comparemos la partícula con un diapasón que vibra en un determinado modo. Si la “fuerza de fricción” que tiende a eliminar este modo de vibración es fuerte, ésta puede afectar a la forma en la que el diapasón oscila, porque la altura, o la frecuencia de oscilación, está peor definida. Para una partícula elemental, esta frecuencia corresponde a su energía. El diapasón resonará con menor precisión; se ensancha su curva de resonancia. Dado que para esas partículas extremadamente inestable se miden curvas parecidas, a medida se las denomina resonancias. Sus vidas medias se pueden deducir directamente de la forma de sus curvas de resonancia.

Bariones Delta. Un ejemplo típico de una resonancia es la delta (∆), de la cual hay cuatro especies ∆ˉ, ∆⁰, ∆⁺ y ∆⁺⁺(esta última tiene doble carga eléctrica). Las masas de las deltas son casi iguales 1.230 MeV. Se desintegran por la interacción fuerte en un protón o un neutrón y un pión.

Existen tanto resonancias mesónicas como bariónicas . Las resonancias deltas son bariónicas. Las resonancias deltas son bariónicas. (También están las resonancias mesónicas rho, P).

Las resonancias parecen ser solamente una especie de versión excitada de los Hadrones estable. Son réplicas que rotan más rápidamente de lo normal o que vibran de diferente manera. Análogamente a lo que sucede cuando golpeamos un gong, que emite sonido mientras pierde energía hasta que finalmente cesa de vibrar, una resonancia termina su existencia emitiendo piones, según se transforma en una forma más estable de materia.

Por ejemplo, la desintegración de una resonancia ∆ (delta) que se desintegra por una interacción fuerte en un protón o neutrón y un pión, por ejemplo:

∆⁺⁺→р + π⁺;  ∆⁰→р + πˉ; o п+π⁰

En la desintegración de un neutrón, el exceso de energía-masa es sólo 0,7 MeV, que se puede invertir en poner en movimiento un protón, un electrón y un neutrino. Un Núcleo radiactivo generalmente tiene mucha menos energía a su disposición.

El estudio de los componentes de la materia tiene una larga historia en su haber, y, muchos son los logros conseguidos y muchos más los que nos quedan por conseguir, ya que, nuestros conocimientos de la masa y de la energía (aunque nos parezca lo contrario), son aún bastante limitados, nos queda mucho por descubrir antes de que podamos decir que dominamos la materia y sabemos de todos sus componentes. Antes de que eso llegue, tendremos que conocer, en profundidad, el verdadero origen de la Luz que esconde muchos secretos que tendremos que desvelar.

Esperemos que con los futuros experimentos del LHC y de los grandes Aceleradores de partículas del futuro,  se nos aclaren algo las cosas y podamos avanzar en el perfeccionamiento del Modelo Estándar de la Física de Partículas que, como todos sabemos es un Modelo incompleto que no contiene a todas las fuerzas de la Naturaleza y, cerca de una veintena de sus parámetros son aleatorios y no han sido explicados. Uno de ellos era el Bosón de Higgs que pudo ser confirmado. Sin embargo, a mí particularmente me quedan muchas dudas al respecto.

emilio silvera