Año Internacional de la Astronomía 2009. En España (AIA-IYA2009)

Quark

Partícula elemental que se constituyen en tripletes para formar hadrones, tales como los bariones llamados protones y neutrones, mientras que los hadrones llamados mesones, están formados por un quark y un antiquark.

En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas elementales son los leptones y los quarks. Al contrario que los protones y electrones que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3).

Los quarks aparecen en seis sabores (sin conexión con el gusto):

• up (u; +2/3 de carga).
• down (d; -1/3).
• charmed (c, +2/3).
• strange (s; -1/3).
• top (t; +2/3), y,
• botton (b; -1/3).

El protón, siendo un barión, está constituido por tres quarks, uud (2/3+2/3-1/3=1) y el neutrón por udd (2/3-1/3-1/3=0).

Dejo aquí la explicación de los quarks para no complicar en demasía la cuestión, ya que ahora tendríamos que entrar a explicar los sabores y los colores, lo cual, para un no versado en estas cuestiones no resultaría fácil de entender, y este glosario no es para expertos.

De todas las maneras no quiero dejar pasar la oportunidad de dejar aquí mi idea, muy particular, de que más allá de los quarks, existen partículas cien mil veces más pequeñas que, como filamentos dorados y vibrantes, se mueven a la velocidad de la luz y, para mí, serán las auténticas partículas elementales de la materia, claro que, de momento, no existen medios ni energías capaces de comprobar este hecho. Pero ahí queda la idea.

Quasars

Objeto con un alto desplazamiento al rojo y con apariencia de estrella, aunque es probablemente el núcleo activo muy luminoso de una galaxia muy distante.

El nombre es una contracción del ingles quasi stellar, debido a su apariencia estelar. Los primeros quasars descubiertos eran intensas fuentes de radio.

Debido a las grandes distancias indicadas por el desplazamiento al rojo del núcleo debe ser hasta 100 veces más brillante que la totalidad de una galaxia normal. Además, algunos quasars varían en brillo en una escala de tiempo de semanas, indicando que esta inmensa cantidad de energía se origina en un volumen de unas pocas semanas-luz de longitud. La fuente puede, por tanto, ser un disco de acreción alrededor de un agujero negro de 10⁷ o 10⁸ masas solares.

El primer quasar en ser identificado como tal, en 1.963, fue la radiofuente 3C 273 con un desplazamiento al rojo de 0’158, siendo todavía el quasar más brillante ópticamente hablando observado desde la Tierra, con magnitud 13. Miles de quasar han sido descubiertos desde entonces. Algunos tienen desplazamiento al rojo tan grandes como 4’9, implicando que lo vemos tal como eran cuando el universo tenía sólo una décima parte de la edad actual.

En esta brevísima reseña no puede dejar constancia de todo lo que se sabe sobre quasars, sin embargo, dejamos los rasgos más sobresalientes para que el lector obtenga un conocimiento básico de estos objetos estelares.

Para finalizar la reseña diré que algunas galaxias aparentemente normales pueden contener remanentes de actividad quasar en sus núcleos, y algunas galaxias Seyfert y galaxias Markarian tienen núcleos que son intrínsecamente tan brillantes como algunos quasars.

Existen algunas evidencias de que los quasars aparecen en los núcleos de las espirales, y es esa interacción con una galaxia vecina la que proporciona gas o estrellas al núcleo formado por un agujero negro masivo, alimentando así la emisión del quasar. Salvo mejor parecer.

Radiación cósmica de fondo

Antes hemos comentado por alguna parte que se trata de emisión radio de microondas proveniente de todas las direcciones (isotrópica) y que corresponde a una curva de cuerpo negro.

Estas propiedades coinciden con las predichas por la teoría del Big Bang, como habiendo sido generada por fotones liberados del Big Bang cuando el universo tenía menos de un millón de años (universo bebé) de antigüedad.

La teoría del Big Bang también supone la existencia de radiaciones de fondo de neutrinos y gravitatoria, aunque aun no tenemos los medios para detectarlas. Sin embargo, los indicios nos confirman que la teoría puede llevar todas las papeletas para que le toque el premio.

Últimamente se ha detectado que la radiación de fondo no está repartida por igual por todo el universo. ¡Ya veremos!

Radiación, teoría cuántica de la

Teoría que estudia la emisión y la absorción de fotones de radiación electromagnética por los sistemas atómicos usando la mecánica cuántica. Los fotones son emitidos por los átomos cuando hay una transición de un estado excitado al estado fundamental.

Si un átomo se expone a una radiación electromagnética externa puede haber una transición desde el estado fundamental a un estado excitado por absorción de un fotón

Un átomo excitado puede perder la energía que ha ganado por emisión estimulada. La teoría cuántica de la radiación fue indicada por Einstein en 1.916-17, como una extensión de la ley de radiación de Planck, con la deducción de los coeficientes de Einstein.

La teoría cuántica de la radiación es la base de la teoría que subyace en el funcionamiento de los láseres y máseres (gracias a Einstein).

Radiactividad

Desintegración espontánea de ciertos núcleos atómicos acompañada de la emisión de partículas alta (núcleos de helio), partículas beta (electrones, positrones) o radiación gamma (ondas electromagnéticas).

La radiactividad natural es el resultado de la desintegración espontánea de radioisótopos que aparecen en la naturaleza.

Muchos radioisótopos pueden ser clasificados dentro de tres series radiactivas. El ritmo de desintegración no está influenciado por los cambios químicos o por cambios normales en el entorno. Sin embargo, la radiactividad puede estar inducida en muchos núcleos mediante bombardeo de neutrones u otras partículas.

Es fascinante profundizar en los efectos que pueden causan en algunos elementos la radiación o radiactividad natural; en el uranio, por ejemplo, que como consecuencia de ella en 14.000 años se convierte en plomo. Deja de ser lo que era y se transforma en otra cosa diferente. ¿Evolución?, ¿entropía?, ¿los misterios que, incansable, perseguimos?

Radiométrica, datación

La datación por radiocarbono es la determinación de la edad de una sustancia que contiene carbono radiactivo por medio de su vida media radiactiva.

La radiación-métrica o radiométrica para datar es la que determina la edad de objetos (como por ejemplo, de las rocas de la Tierra y la Luna) mediante la vida media de los elementos inestables que contienen.

Por estos sistemas se han datado rocas con una edad de 3.500 millones de años (casi la edad total de la Tierra).

Rayos X

Radiación electromagnética de longitud de ondas más cortas que la radiación ultravioleta que es producida bombardeando átomos con partículas cuánticas de alta energía.

El rango de longitud de onda es de 10^-11 m a 10^-9 m. Los átomos de todos los elementos emiten un espectro de rayos X característico cuando son bombardeados por electrones. Los fotones de rayos X son emitidos cuando los electrones incidentes arrancan un electrón de un orbital interno del átomo.

Cuando esto ocurre, un electrón exterior cae en la capa interna para reemplazarlo, perdiendo energía potencial (ΔE) al hacerlo. La longitud de onda λ de los fotones emitidos está dada por λ = ch/ΔE, donde c es la velocidad de la luz y h es la constante de Planck.

Los rayos X pueden atravesar muchas formas de materia y son, por tanto, usados en medicina y en la industria para examinar estructura internas (en los seres vivos la exposición a estos rayos no deben ser continua, ya que produce mutaciones en las células vivas). Los rayos X son producidos para estos propósitos en tubos de rayos X.

Las mayores fuentes productoras de rayos X que se han detectado en el universo, son las provenientes de los agujeros negros.

Relatividad, teoría de la

Teoría para analizar el movimiento de los cuerpos, diseñada para explicar las desviaciones de la mecánica newtoniana que ocurren a muy altas velocidades relativas. Esta teoría es una de las dos propuestas por Albert Einstein (1.879-1.955).

La teoría especial fue propuesta en 1.905 y se refería a sistemas de referencia inerciales (no acelerados).

Asume que las leyes de la física son idénticas en todos los sistemas de referencia y que la velocidad de la luz en el vacío, c, es constante en todo el universo y es independiente de la velocidad del observador.

La teoría desarrolla un sistema de matemáticas con el fin de reconciliar estas afirmaciones en aparente conflicto. Una conclusión de la teoría es que la masa de un cuerpo, m, aumenta con su velocidad, v, de acuerdo con la relación:

donde m₀ es la masa en reposo del cuerpo. Einstein también concluyó que si un cuerpo pierde energía L, su masa disminuirá en L/c². Einstein generalizó esta conclusión al importante postulado de que la masa de un cuerpo es una medida de su contenido en energía, de acuerdo con su ecuación m=E/c² que, en su versión más conocida es E=mc².

Cuando Max Planck (por aquel entonces director de la revista científica que publicó el trabajo de Einstein), leyó la teoría de la relatividad especial, enviada por un desconocido llamado Albert Einstein, oficial de tercera en la oficina de patentes de Berna (Suiza), de inmediato se dio cuenta de que el mundo de la física, a partir de aquel momento, sería diferente. Planck fue de los pocos que en ese primer momento comprendió los conceptos nuevos y la grandiosidad de aquella teoría.

No todos admitieron que el tiempo caminaba más lentamente para alguien que viajara a velocidades cercanas a la de la luz, que los objetos aumentaban su masa a medida que se acercaban a dicha velocidad que Einstein llamó c, que c era la velocidad límite de nuestro universo, que la masa y la energía eran dos aspectos de una misma cosa.

Todos esos conceptos nuevos que cambiaron el mundo, no sólo de la física, también lo cambió en el campo de la filosofía; nada se podía considerar como inamovible, todo era relativo, dependiendo de quien sea el que valore la cuestión de que se trate.

Finalmente, el mundo de la física, comprobados experimentalmente todos y cada uno de los aspectos de la teoría relativista, se rindió ante Einstein a quien reconocieron, sin tapujos, sus enormes méritos.

Pero Einstein, en aquellos años dorados en que su mente estaba poseída por la más maravillosa inspiración, no estaba satisfecho. A su teoría le faltaba algo, ya que no incluía la gravedad.

En 1.907, le llegó la inspiración. Sentado en su mesa de la oficina de patentes, de pronto, se le ocurrió pensar en alguien que dentro de una cabina de ascensor cayera en caída libre. ¿Qué sensación tendría? A partir de este concepto elabora en su mente una nueva teoría con la que trabajó de manera incansable durante años.

Todo en su cabeza estaba perfectamente definido y, sin embargo, no encontraba la manera de formularlo. No sabía qué matemáticas aplicar para que de manera fiel expresara sus pensamientos. Desesperado, escribió a su amigo Grossman, Marcel, a quien pidió ayuda explicándole su problema que, como matemático que era, entendió perfectamente.

Al poco tiempo, Einstein, recibió un paquete desde Berlín. Su amigo Marcel contestaba a su llamada de auxilio y le enviaba material diverso que, a su entender, le podría valer para salir de su atolladero.

Einstein, tembloroso, abrió el paquete y miró el contenido de libros y documentos diversos. De entre aquel conjunto le llamó la atención unos documentos que según podía leerse en la portada, estaban referidos a una conferencia sobre geometría curva que, 60 años antes, había dado un tal Riemann.

Einstein pasó aquella portada y comenzó a leer la conferencia. A medida que avanzaba (según contó más tarde) sentía como se helaba la sangre en sus venas; no daba crédito a lo que tenía ante sus ojos. Aquel genio matemático llamado Riemann estaba reflejando lo que él llamaba tensor métrico (después, tensor métrico de Riemann), que era la herramienta matemática más poderosa que imaginarse pueda, y Einstein se dio perfecta cuenta de que sus problemas habían terminado.

Trabajó incansable con el tensor métrico de Riemann y, finalmente, su teoría general de la relatividad, en 1.915, vio la luz, y Einstein pudo extender su trabajo anterior para incluir sistemas acelerados, que condujo a su análisis de la gravitación.

Interpretó el universo como un continuo espacio tiempo de cuatro dimensiones en el que la presencia de una masa curva el espacio de forma que se crea un campo gravitacional. Las pequeñas diferencias entre la interpretación de Newton de la gravitación y la de Einsten han constituido una manera de comparar las dos teorías. Por ejemplo, el movimiento del planeta Mercurio, que se pensaba que era anómalo en el marco de la mecánica newtoniana, puede ser explicado por la relatividad. Es más, la predicción de Einstein de que los rayos de luz que pasan próximos al Sol serían doblados por su campo gravitacional también ha sido confirmada mediante experimentos durante eclipses solares.

Pero la teoría general de la relatividad no es una simple teoría de la gravedad, es mucho, muchísimo más.

A partir de las ecuaciones de campo de Einstein en su teoría general de la relatividad, Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros (radio crítico de un cuerpo de masa dada que debe ser superada para que la luz no pueda escapar de ese cuerpo. Es igual a 2GM/c²); Kip S. Thorne, encontró en estas ecuaciones que sería posible (teóricamente al menos), viajar en el tiempo a través de un agujero de gusano; Kaluza elevó las cuatro dimensiones de Einstein utilizando las ecuaciones relativistas y formuló su teoría (Kaluza-Klein) que unificaba la relatividad general de Einstein (la gravedad) con la teoría de Maxwell (el electromagnetismo); se demostró que en presencia de masa (planetas, estrellas, galaxias, etc) el espacio se curva y el tiempo se distorsiona.

Einstein revolucionó la cosmología y nos puso delante de los ojos lo que, en realidad, ocurre en nuestro universo.

Se dice que las ecuaciones de Einstein son bellas. ¿Pueden ser bellas unas ecuaciones?

Bueno, cuando los físicos hablan de belleza de una ecuación, en realidad se están refiriendo a una ecuación sencilla, de pocos términos numéricos que, sin embargo, nos está diciendo muchas y profundas verdades.

También tengo que mencionar aquí que, en la nueva teoría de supercuerdas, Einstein está presente; es como algo que asombra a todos, sin que nadie las llame, como por arte de magia, las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, surgen y hacen acto de presencia como diciendo “tengo que estar aquí para que la teoría de “Todo” sea posible; sin mí no podréis formularla”.

Es posible que en la anterior reseña me pasara un poco y me extendiera más de la cuenta, sin embargo, hay cuestiones y matices a los que no podía dar la espalda, y para hacer justicia, he tenido que contarlo así. De todas formas, creo que el lector tendrá alguna idea mejor y más completa de la teoría relativista después de conocer mi reseña.

Relativista

Cercano a la velocidad de la luz. Las partículas que se mueven a estas velocidades muestran los efectos predichos por Einstein en su teoría de la relatividad especial (aumento de masa, retardo del tiempo, etc) que deben tomarse en cuenta combinando la relatividad con la teoría cuántica para efectuar predicciones exactas.

Independientemente de la explicación anterior, tengo que dejar constancia aquí del hecho irrefutable a que nos conduce la barrera de la velocidad de la luz en nuestro universo: nada puede correr más rápido que la luz.

Como eso es así, la Humanidad tiene planteado, a muy largo plazo, un reto muy, muy difícil. Si de verdad queremos viajar a las estrellas, el único camino está en vencer la barrera de la velocidad de la luz.

Los posibles sistemas solares que contengan planetas habitables, están a muchos años-luz de distancia de nosotros. ¿Cómo iremos allí? ¿Varias generaciones viajando hasta llegar? ¿En naves ciudades? ¿Cómo evitaremos la mutación de estar tantos y tantos años en el espacio?

Lo único que se me ocurre es vencer la velocidad de la luz para llegar a lugares muy lejanos de una manera rápida.

¿Salto cuántico? ¿Agujero de Gusano?

¿Quién puede saberlo ahora, en los comienzos del siglo XXI? Estamos en la era bebé de los viajes espaciales. Probamos con robots y es posible que en 20 ó 25 años el hombre pueda is al planeta Marte, o lo que es lo mismo, la era de piedra de los viajes espaciales.

Como veréis otra vez me he salido del guión y de lo que de manera específica tenía que explicar, me he pasado a cuestiones diferentes y complejas que deben ser desarrollados en otros términos muchos más amplios.

Así es más ameno ¿No?

Renormalización

Cuando los físicos plantean cuestiones y buscan las respuestas, utilizan las matemáticas y ocurre que, en mecánica cuántica, no es infrecuente que aparezcan infinitos sin sentido en las ecuaciones, así que, se inventaron un procedimiento matemático mediante el cual se introducen otros infinitos que anulan a los indeseados.

A ese procedimiento le llaman renormalización, que es la técnica usada en teoría cuántica de campos relativistas para trabajar con el hecho de que los cálculos en teoría de perturbaciones dan lugar a infinitos más allá del primer término.

La renormalización fue usada por primera vez en electrodinámica cuántica, donde los infinitos se eliminaban tomando la masa y la carga observada del electrón como parámetros “renormalizados” en vez de la masa y la carga “desnuda”.

Las teorías para las que existen resultados finitos para todos los cálculos en teoría de perturbaciones, tomando un número finito de parámetros de los experimentos y usando renormalización, son llamadas renormalizables.

Las teorías que necesitan un número infinito de parámetros se dice que son no renormalizables y se consideran como inaceptables como teoría física completa y consistente.

Las teorías gauge que describen las interacciones fuerte, débil y electromagnética son renormalizables. La teoría cuántica de las interacciones gravitacionales es una teoría no renormalizable, que quizás indica que la gravedad debe ser unificada con otras interacciones fundamentales antes de poder tener una teoría cuántica de la gravedad consistente.