¿Es viejo el Universo?

Nuevas estrellas, vientos estelares, radiación, energías, estrellas de neutrones o púlsares, agujeros negros, enanas rojas y blancas, ¿estrellas de Quarks? ¿materia oscura? mundos…¿Civilizaciones? ¡El Universo! Lo que todo lo contiene, ahí estan presentes todas las cosas que existen y las que tienen que existir… El espaciotiempo, las fuerzas fundamentales de la Naturaleza…¡La Vida!

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 y a 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? ¿porqué 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.

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.

Al menos una vez al día, el cielo en su parte alta, es iluminado por un gran destello producido por grandes explosiones de rayos gamma. A menudo, esos destellos alcanzan magnitudes superiores a las que pueden ser generadas por todo un conjunto de otros rayos cósmicos y desaparecen posteriormente sin dejar más rastro. Nadie puede predecir cuando volverá a ocurrir la próxima explosión o de que dirección del cielo procederá. Hasta ahora, no contamos con evidencias duras como para asegurar cuáles podrían ser las fuentes precisas de donde provienen esos rayos gamma que observamos en lo alto del cielo, las razones que ocasionan los grandes destellos y la distancia en la cual ocurre el fenómeno.

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 sobre humana 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 Tiempos de Planck, hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

En todas las regiones del espacio interestelar donde existen objetos de enormes densidades y estrellas supermasivas se pueden producir sucesos de inmensas energías y, en regiones de gas y polvo de muchos años-luz de diámetro, es donde surgen los Sistemas solares que contienen planetas aptos para 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 habían 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.

Nuestro Sol es una estrella de tercera o cuarta generación. Así lo confirman los materiales que existen en el Sistema solar que son complejos y creados por una Supernova o Hipernova, de otra manera, reinaría sólo el Hidrógeno y el Helio en Lugar de estar presentes el plomo y el Uranio… por Ejemplo.

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.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre los atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagan infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen series amenazas exteriores.

 

            Los efectos del Covid 19 serían pequeños al lado de un acontecimiento así

Como veréis no estamos a salvo y, cualquier colisión entre estos pedruscos los puede desviar hacia nosotros y las consecuencias…

La mayoría de asteroides, incluyendo Vesta, están en el cinturón de asteroides que se sitúa entre Marte y Júpiter. Otros asteroides giran en círculos mas cerca del Sol que de la Tierra, mientras que un gran número de ellos comparten orbitas planetaria. Dada esta gran variedad de asteroides, algunos particularmente extraños han sido descubiertos en los últimos dos siglos desde que el primer asteroide fuera descubierto (Ceres en 1801).

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una serie y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra habiendo tenido efectos catastróficos. Somos afortunados al tener la protección de la luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta.

La caída en el Planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución, o, por el contrario, evitar que siga cualquier clase de evolución produciendo la extinción total y dejando la Tierra como un planeta muerto.

emilio silvera

Hablemos un poco de la Luz, esa maravilla de la Naturaleza que nos permite contemplar el entorno en el que vivimos y nos aleja de la negra oscuridad.

Si hablamos de la Luz, tendremos que convenir que en su estado natural nos muestra sus mejores facetas y, sin embargo, hemos sabido plasmar esa luz que la Naturaleza crea, de manera artificial para poder utilizarla de mil maneras que, en cualquier Sociedad moderna de hoy, se hace imprescindible. Se dice que España es uno de los países más fotografiados por los astronautas.

              España desde la Estación Espacial

Y no es precisamente por su contraste de colores, sino por la cantidad de luz que desprenden las ciudades la noche. Es la llamada contaminación lumínica. Aunque eso, se podría aplicar a todas las grandes ciudades del mundo.

Por último, el exceso de luz afecta a la flora y fauna nocturnas, que precisan de oscuridad desarrollar sus ciclos vitales. Las aves se deslumbran y desorientan, se alteran los períodos de ascenso y descenso del plancton marino, lo que repercute en la alimentación de otras especies; los insectos modifican sus ciclos reproductivos, aumentan el número de plagas en las ciudades… Se rompe, además, el equilibrio poblacional de las especies, porque algunas son ciegas a ciertas longitudes de onda de luz y otras no, con lo cual las depredadoras pueden prosperar mientras se extinguen las depredadas. Respecto a las plantas, se quedan sin insectos que las polinicen. Aunque no hay estudios concretos sobre el tema, se cree que falta de polinización podría influir en la productividad de algunos los cultivos. En definitiva, que no sabemos administrar lo que tenemos.

                     Todos sabemos lo importante que llegar a ser la luz en nuestras viviendas

La luz es importante en nuestras vidas, tan importante que hasta hemos inventado luz artificial para alumbrar nuestras casas y ciudades y escapar de la fea oscuridad. Es una de radiación electromagnética a la que el ojo humano es sensible y sobre la cual depende nuestra consciencia visual del universo y sus contenidos.

    Gracias a la luz podemos contemplar el Universo y todos los objetos que nos rodean

La velocidad finita de la luz fue sospechada por muchos experimentadores en óptica, pero fue establecida en 1.676, O. Roemer (1.644 – 1.710) la midió. Sir Isaac Newton (1.642 – 1.727) investigó el espectro óptico y utilizó los conocimientos existentes establecer una primera teoría corpuscular de la luz, en la que era considerada como un chorro de partículas que provocaban perturbaciones en el “éter” del espacio.

Mediante el sentido de la visión, podemos captar los objetos en los que ésta se refleja. La fuente principal de la luz que vemos es el sol y es el resultado de sumar todos los colores, manifestándose pues de color blanco. La luz blanca se separa en los colores que la componen cuando pasa a través de un prisma. La luz visible es sólo una pequeña del gran espectro electromagnético. Con lo cual, un haz de luz está compuesto por pequeños paquetes de energía, denominados cuantos de luz o fotones. Al igual que la luz blanca existen otros principios luminosos que a diferencia de éste no son blancos, la explicación de ello radicaría en que dependiendo de la forma en que fuente genere luz tendremos un color u otro. Por ejemplo, las lámparas incandescentes (tungsteno) muestran un color rojizo.

La luz artificial es imprescindible cuando la luz natural desaparece. Si en una habitación bien decorada no se han tomado en los cambios de luz, todo su encanto desaparece cuando la iluminación se torna deficiente.

los años 1801 y 1803 Young presentó unos artículos ante la Royal Society exaltando la teoría ondulatoria de la luz y añadiendo a ella un concepto fundamental, el llamado principio de interferencia. Cuando se superponen las ondas provenientes de dos fuentes luminosas puntuales, sobre una pantalla colocada paralela a la línea de unión de los dos orificios, se producen franjas claras y oscuras regularmente espaciadas. Éste es el primer experimento en el que se demuestra que la superposición de luz producir oscuridad. Este fenómeno se conoce como interferencia y con este experimento se corroboraron las ideas intuitivas de Huygens respecto al carácter ondulatorio de la luz.

Después de Newton, sucesores adoptaron los corpúsculos, pero ignoraron las perturbaciones con de onda hasta que Thomas Young (1.773 – 1.829) redescubrió la interferencia de la luz en 1.801 y mostró que una teoría ondulatoria era esencial para interpretar este tipo de fenómenos. Este punto de vista fue adoptado durante la mayor parte del siglo XIX y permitió a James Clerk Maxwell (1.831 – 1.879) mostrar que la luz forma parte del espectro electromagnético. En 1.905, Albert Einstein (1.879 – 1.955) demostró que el efecto fotoeléctrico sólo podía ser explicado con la hipótesis de que la luz consiste en un chorro de fotones de energía electromagnética discretos, esto es, pequeños paquetes de luz que él llamó fotones y que Max Planck llamó cuanto. renovado conflicto entre las teorías ondulatoria y corpuscular fue gradualmente resuelto con la evolución de la teoría cuántica y la mecánica ondulatoria. Aunque no es fácil construir un modelo que tenga características ondulatorias y cospusculares, es aceptado, de acuerdo con la teoría de Bohr de la complementariedad, que en algunos experimentos la luz parecerá tener naturaleza ondulatoria, mientras que en otros parecerá tener naturaleza corpuscular. Durante el transcurso de la evolución de la mecánica ondulatoria también ha sido evidente que los electrones y otras partículas elementales tienen propiedades de partícula y onda.

El fotón es una partícula con masa en reposo nula consistente en un cuanto de radiación electromagnética (cuanto de luz). El fotón también puede ser considerado una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de radiación en hertzios. Los fotones viajan a la velocidad de la luz, es decir, a 299.792.458 metros por segundo. Son necesarios explicar (como dijo Einstein) el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula unas veces y de onda otras.

 

– concepto de la estructura de la luz, es una onda y una partícula.

– Las partículas de luz son “cuantos de luz” o fotones.

– El átomo propiedades cuánticas, el electrón .

El artículo sobre el efecto fotoeleléctrico fue enviado por Einstein a la revista Annalen der Physik el 17 de marzo, recibido al siguiente día y publicado el 9 de junio de 1905. Más tarde, por importante contribución, Einstein sería galardonado con el Premio Nobel de Física de 1921.

El conocimiento de la luz (los fotones), ha permitido a la humanidad avances muy considerables en electrónica que, al sustituir los electrones por fotones (fotónica) se han construido dispositivos de transmisión, modulación, reflexión, refracción, amplificación, detección y guía de la luz. Algunos ejemplos son los láseres y las fibras ópticas. La fotónica es muy utilizada en telecomunicaciones, en operaciones quirúrgicas por láseres, en armas de potentes rayos láser y… en el futuro, en motores fotónicos que, sin contaminación, moverán nuestras naves a velocidades súper-lumínicas.

      Tanto en medicina, trabajos industriales, o, en armamento, el láser es importante en nuestras vidas.

El electrón, otra partícula elemental importantísima todos nosotros y para el universo mismo, está clasificado en la familia de los leptones, con una masa en reposo (símbolo m_e) de notación numérica igual a 9’109 3897 (54) ×10^{-31 Kg y una carga negativa de notación numérica igual a 1’602 177 33 (49) ×10-19} coulombios. Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; son arrancados del átomo se llaman electrones libres. La antipartícula del electrón es el positrón cuya existencia fue predicha por el físico Paúl Dirac. El positrón es un hermano gemelo del electrón, a excepción de la carga que es positiva.

     La primera imagen de la órbita de un electrón

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico Joseph John Thomson (1.856 – 1.940). El problema de la estructura (si es que la hay) del electrón no está resuelto; nuestras máquinas no tienen la potencia suficiente poder llegar, en el micromundo, a distancias infinitesimales de ese calibre. Si el electrón se considera una carga puntual su auto energía es “infinita” y surgen dificultades de la ecuación de Lorentz-Dirac. Con los nuevos ingenios tecnológicos se ha podido captar la imagen de arriba

La ecuación de Dirac

“Estéticamente es elegante y simple”, comentó Jim Al-Khalili de la universidad de Surrey en el Reino Unido.

 

 

“Es una ecuación muy poderosa por lo que significa y su papel en la historia de la física del siglo XX”.

 

La ecuación fue descubierta a finales de los años 20 por el físico Paul Dirac, y juntó dos de las ideas más importantes de la ciencia: la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de objetos muy pequeños; y la teoría especial de Einstein de la relatividad, que describe el comportamiento de objetos en movimiento rápido.

Por lo tanto, la ecuación de Dirac describe cómo las partículas como electrones se comportan cuando viajan a casi la velocidad de la luz.

Como lo queremos saber todo y llegar al fondo de todo, estamos intentando dividir el electrón, y, no creo que eso nos lleve a nada bueno. El electrón con su masa y su carga es esencial para la vida. ¡Dejemosló estar!

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r₀ llamado el radio clásico del electrón, dado por r_o = e²/(mc²) = 2’82×10^{-13 cm,} donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. modelo también tiene problemas como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.

El electrón es uno de los miembros de la familia de leptones: electrón (e), muón (μ), tau (τ) con sus correspondientes neutrinos asociados electrónico, muónico y tauónico.

Un equipo de físicos de las Universidades de Cambridge y de Birmingham ha demostrado que los electrones, que por separado son indivisibles, pueden dividirse en dos partículas nuevas llamadas espinones y holones, se concentran dentro de un estrecho cable. ¡Qué cosas!

Las tres partículas, electrón, muón y tau, son exactas, excepto en sus masas. El muón es 200 veces más masivo que el electrón. La partícula tau es unas 35.600 veces más masiva que el electrón. Los leptones interaccionan por la fuerza electromagnética y la interacción débil. cada leptón hay una antipartícula equivalente de carga opuesta ( explicamos antes, el positrón es la antipartícula del leptón electrón). Los antineutrinos, como los neutrinos, no tienen carga.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan las estructuras atómicas, las reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. explicar las fuerzas entre las partículas cargadas pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas (probar con imanes como las fuerzas desiguales y contrarias – positiva/negativa – se atraen, mientras que cargas iguales – negativa/negativa o positiva/positiva – se repelen).

Un equipo de físicos de las Universidades de Cambridge y de Birmingham ha demostrado que los electrones, que por separado son indivisibles, pueden dividirse en dos partículas nuevas llamadas espinones y holones, se concentran dentro de un estrecho cable.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (Ley de Coulomb) como por el intercambio de fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describen (como antes dije) con la electrodinámica cuántica. fuerza tiene una partícula portadora, el fotón.

Todos oímos con frecuencia la palabra “electrónica”, pero pocos pensamos que estamos hablando de electrones en diseños de dispositivos de control, comunicación y computación, basándose en el movimiento de los electrones en circuitos que contienen semiconductores, válvulas termoiónicas, resistencias, condensadores y bobinas y en la electrónica cuántica1 aplicada a la óptica, se han conseguido verdaderas maravillas que han facilitado grandes avances tecnológicos de distintas aplicaciones como la investigación o la medicina y la cirugía, otros.

Este pequeño comentario sobre la electrónica y la fotónica que antes habéis leído, demuestra cómo el conocimiento y sobre estos dos pequeñísimos objetos, el fotón y el electrón, nos ha dado unos beneficios increíbles.

Los Quarks están confinados en el núcleo del átomo formando protones y neutrones. La Fuerza nuclear fuerte los retiene que no se puedan separar los unos de los otros a más distancia de la que es necesaria para mantener la estabilidad y, se les consiente lo que se denomina libertad asintótica de los Quarks.

Existen otras partículas aún más diminutas que, en realidad, podríamos decir que son los auténticos ladrillos de la materia, los objetos más pequeños que la conforman: los quarks.

En la antigua Grecia, sabios como Demócrito, Empédocles, Thales de Mileto o Aristóteles, ya sospecharon de la existencia de pequeños objetos que se unían para formar materia. Demócrito de Abdera decía que todo estaba formado por pequeños objetos invisibles e indivisibles a los que llamaba a-tomo o átomos (en griego significa “indivisibles”).

Pasaron muchos años de controversia sobre la existencia de los átomos y, en 1.803, el químico y físico británico John Dalton señaló que los compuestos físicos se combinaban para, en ciertas proporciones, formar agrupamiento de átomos para formar unidades llamadas moléculas.

En 1.905 llegó Einstein dar una de las evidencias físicas más importante de la existencia de los átomos, al señalar que el fenómeno conocido como movimiento browniano – el movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido – podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las partículas de polvo.

Por aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran, después de todo, indivisibles. Hacía varios que J. J. Thomson, de Cambridge, había demostrado la existencia de una partícula material, el electrón, que tenía una masa menor que la milésima de la masa del átomo más ligero. Se comprendió que estos electrones debían provenir de los átomos en sí. Y, en 1.911, el físico británico Ernest Rutherford mostró finalmente que los átomos de la materia tienen verdaderamente una estructura interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga positiva, alrededor del cual gira un cierto de electrones.

En 1.932, un colega de Rutherford, James Chadwick, descubrió también en Cambridge que el núcleo contenía otras partículas, llamadas neutrones, que tenían casi la misma masa del protón que una carga positiva igual en magnitud a la del electrón que es negativa, con lo cual, como todos los núcleos tienen el mismo de protones que de electrones hay en el átomo, el equilibrio de éste queda así explicado: carga positiva similar a carga negativa = a estabilidad en el átomo.

emilio silvera

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