En el centro del átomo se encuentra un pequeño grano compacto aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el propio átomo: el núcleo atómico. Su masa, e incluso más aún su carga eléctrica, determinan las propiedades del átomo del cual forma parte. Debido a la solidez del núcleo parece que los átomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre sí, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias químicas (los elementos). Pero el núcleo, a pesar de ser tan sólido, puede partirse. Si dos átomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podría suceder que los núcleos llegaran a chocar entre sí y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso partículas sub-nucleares. La nueva física de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas partículas planteaban.

Pero tenemos la mecánica cuántica; ¿Es que no es aplicable siempre?, ¿Cuál es la dificultad? Desde luego, la mecánica cuántica es válida para las partículas subatómicas, pero hay más que eso. Las fuerzas con que estas partículas interaccionan y que mantienen el núcleo atómico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del núcleo están cerca de la velocidad de la luz, c, que es de 299.792’458 Km/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificación a las leyes de la física del siglo XIX; tenemos que contar con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Esta teoría también fue el resultado de una publicación de Einstein de 1905. en esta teoría quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habrá un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.

Pero había más cosas que tenían que ser relativas. En este teoría, la masa y la energía también dependen de la velocidad, como lo hacen la intensidad del campo eléctrico y del magnético. Einstein descubrió que la masa de una partícula es siempre proporcional a la energía que contienen, supuesto que se haya tenido en cuenta una gran cantidad de energía en reposo de una partícula cualquiera, como se denota a continuación:

E = mc² 

Pero ¿por qué nada puede superar a la velocidad de la luz en el vacío?

Es fácil ver que a medida que  v aumenta y se va acercando a c el valor de la raiza cuadrada del denominador va bajando hacia cero y por lo tanto el valor de la masa m va aumentando hacia infinito. El límite de esta expresión cuando v tiende a c es infinito.

Como la velocidad de la luz es muy grande, esta ecuación sugiere que cada partícula debe almacenar una cantidad enorme de energía, y en parte esta predicción fue la que hizo que la teoría de la relatividad tuviese tanta importancia para la física (¡y para todo el mundo!). Para que la teoría de la relatividad también sea auto-consistente tiene que ser holista, esto es, que todas las cosas y todo el mundo obedezcan a las leyes de la relatividad. No son sólo los relojes los que se atrasan a grandes velocidades, sino que todos los procesos animados se comportan de la forma tan inusual que describe esta teoría cuando nos acercamos a la velocidad de la luz. El corazón humano es simplemente un reloj biológico y latirá a una velocidad menor cuando viaje en un vehículo espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Este extraño fenómeno conduce a lo que se conoce como la “paradoja de los gemelos”, sugerida por Einstein, en la que dos gemelos idénticos tienen diferente edad cuando se reencuentran después de que uno haya permanecido en la Tierra mientras que el otro ha viajado a velocidades relativistas.

Einstein comprendió rápidamente que las leyes de la gravedad también tendrían que ser modificadas para que cumplieran el principio relativista.

La formulación de newton es bien conocida, en la segunda imagen que se representan en este esquema dos partículas que se acercan entre sí siguiendo un movimiento acelerado. La interpretación newtoniana supone que el espacio-tiempo es llano y que lo que provoca la curvatura de las líneas de universo es la fuerza de interacción gravitatoria entre ambas partículas. Por el contrario, la interpretación einsteiniana supone que las líneas de universo de estas partículas son geodésicas (“rectas”), y que es la propia curvatura del espacio tiempo lo que provoca su aproximación progresiva.

Para poder aplicar el principio de la relatividad a la fuerza gravitatoria, el principio tuvo que ser extendido de la siguiente manera: no sólo debe ser imposible determinar la velocidad absoluta del laboratorio, sino que también es imposible distinguir los cambios de velocidad de los efectos de una fuerza gravitatoria.

Einstein comprendió que la consecuencia de esto era que la gravedad hace al espacio-tiempo lo que la humedad a una hoja de papel: deformar la superficie con desigualdades que no se pueden eliminar. Hoy en día se conocen muy bien las matemáticas de los espacios curvos, pero en el época de Einstein el uso de estas nociones matemáticas tan abstractas para formular leyes físicas era algo completamente nuevo, y le llevó varios años encontrar la herramienta matemática adecuada para formular su teoría general de la relatividad que describe cómo se curva el espacio en presencia de grandes masas como planetas y estrellas.

Einstein tenía la idea en su mente desde 1907 (la relatividad especial la formuló en 1905), y se pasó 8 años buscando las matemáticas adecuadas para su formulación.

Leyendo el material enviado por un amigo al que pidió ayuda, Einstein quedó paralizado. Ante él, en la primera página de una conferencia dada ante el Sindicato de Carpinteros, 60 años antes por un tal Riemann, tenía la solución a sus desvelos: el tensor métrico de Riemann, que le permitiría utilizar una geometría espacial de los espacios curvos que explicaba su relatividad general.

Desde que se puso en órbita el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, el 11 de junio de 2008, ha detectado poblaciones enteras de objetos nunca antes vistos. El último hallazgo de Fermi afecta al púlsar J1823-3021A, avistado en 1994 con el radiotelescopio Lovell, en Inglaterra. Un equipo internacional de expertos se ha dado cuenta de que esta estrella pulsante emite rayos gamma y gracias a Fermi ha podido caracterizar sus inusuales propiedades. Los resultados de su investigación se publican en el último número de Science. Lo cierto es que han descubierto el púlsar de milisegundos más joven y con la fuerza magnética más potente

No está mal que en este punto recordemos la fuerza magnética y gravitatoria que nos puede ayudar a comprender mejor el comportamiento de las partículas subatómicas.

El electromagnetismo, decíamos al principio, es la fuerza con la cual dos partículas cargadas eléctricamente se repelen (si sus cargas son iguales) o se atraen (si tienen cargas de signo opuesto).

La interacción magnética es la fuerza que experimenta una partícula eléctricamente cargada que se mueve a través de un campo magnético. Las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético como, por ejemplo, los electrones que fluyen a través de las espiras de una bobina.

Las fuerzas magnéticas y eléctricas están entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consiguió formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas eléctricas y magnéticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consiguió la teoría unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.

La interacción es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante débil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electrón y 2hc (dos veces la constante de Planck por la velocidad de la luz). Esta fracción es aproximadamente igual a 1/137’036…, o lo que llamamos α y se conoce como constante de estructura fina.

En general, el alcance de una interacción electromagnética es inversamente proporcional a la masa de la partícula mediadora, en este caso, el fotón, sin masa.

También antes hemos comentado sobre la interacción gravitatoria de la que Einstein descubrió su compleja estructura y la expuso al mundo en 1915 con el nombre de teoría general de la relatividad, y la relacionó con la curvatura del espacio y el tiempo. Sin embargo, aún no sabemos cómo se podrían reconciliar las leyes de la gravedad y las leyes de la mecánica cuántica (excepto cuando la acción gravitatoria es suficientemente débil).

La teoría de Einstein nos habla de los planetas y las estrellas del cosmos. La teoría de Planck, Heisemberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y tantos otros, nos habla del comportamiento del átomo, del núcleo, de las partículas elementales en relación a estas interacciones fundamentales. La primera se ocupa de los cuerpos muy grandes y de los efectos que causan en el espacio y en el tiempo; la segunda de los cuerpos muy pequeños y de su importancia en el universo atómico. Cuando hemos tratado de unir ambos mundos se produce una gran explosión de rechazo. Ambas teorías son (al menos de momento) irreconciliables.

• La interacción gravitatoria actúa exclusivamente sobre la masa de una partícula.
• La gravedad es de largo alcance y llega a los más lejanos confines del universo conocido.
• Es tan débil que, probablemente, nunca podremos detectar esta fuerza de atracción gravitatoria entre dos partículas elementales. La única razón por la que podemos medirla es debido a que es colectiva: todas las partículas (de la Tierra) atraen a todas las partículas (de nuestro cuerpo) en la misma dirección.

El minúsculo y juguetón “gravitón” se ríe de todos y juega al escondite con los físicos del mundo

La partícula mediadora es el hipotético gravitón. Aunque aún no se ha descubierto experimentalmente, sabemos lo que predice la mecánica cuántica: que tiene masa nula y espín 2.

La ley general para las interacciones es que, si la partícula mediadora tiene el espín par, la fuerza entre cargas iguales es atractiva y entre cargas opuestas repulsiva. Si el espín es impar (como en el electromagnetismo) se cumple a la inversa.

Pero antes de seguir profundizando en estas cuestiones hablemos de las propias partículas subatómicas, para lo cual la teoría de la relatividad especial, que es la teoría de la relatividad sin fuerza gravitatoria, es suficiente.

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones, que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 10⁶ electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 10⁶ (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

La mayoría de los núcleos atómicos contienen más neutrones que protones. Los protones se encuentran tan juntos en el interior de un núcleo tan pequeño que se deberían repeles entre sí fuertemente, debido a que tienen cargas eléctricas del mismo signo. Sin embargo, hay una fuerza que los mantiene unidos estrechamente y que es mucho más potente e intensa que la fuerza electromagnética: la fuerza o interacción nuclear fuerte, unas 10² veces mayor que la electromagnética, y aparece sólo entre hadronespara mantener a los nucleones confinados dentro del núcleo. Actúa a una distancia tan corta como 10^{-15 metros, o lo que es lo mismo, 0’000000000000001 metros.}

La interacción fuerte está mediada por el intercambio de mesones virtuales, 8 gluones que, como su mismo nombre indica (glue en inglés es pegamento), mantiene a los protones y neutrones bien sujetos en el núcleo, y cuanto más se tratan de separar, más aumenta la fuerza que los retiene, que crece con la distancia, al contrario que ocurre con las otras fuerzas.

La luz es una manifestación del fenómeno electromagnético y está cuantizada en “fotones”, que se comportan generalmente como los mensajeros de todas las interacciones electromagnéticas. Así mismo, como hemos dejado reseñado en el párrafo anterior, la interacción fuerte también tiene sus cuantos (los gluones). El físico japonés Hideki Yukawa (1907 – 1981) predijo la propiedad de las partículas cuánticas asociadas a la interacción fuerte, que más tarde se llamarían piones. Hay una diferencia muy importante entre los piones y los fotones: un pión es un trozo de materia con una cierta cantidad de “masa”. Si esta partícula está en reposo, su masa es siempre la misma, aproximadamente 140 MeV, y si se mueve muy rápidamente, su masa parece aumentar en función E = mc². Por el contrario, se dice que la masa del fotón en reposo es nula. Con esto no decimos que el fotón tenga masa nula, sino que el fotón no puede estar en reposo. Como todas las partículas de masa nula, el fotón se mueve exclusivamente con la velocidad de la luz, 299.792’458 Km/s, una velocidad que el pión nunca puede alcanzar porque requeriría una cantidad infinita de energía cinética. Para el fotón, toda su masa se debe a su energía cinética.

Los físicos experimentales buscaban partículas elementales en las trazas de los rayos cósmicos que pasaban por aparatos llamados cámaras de niebla. Así encontraron una partícula coincidente con la masa que debería tener la partícula de Yukawa, el pión, y la llamaron mesón (del griego medio), porque su masa estaba comprendida entre la del electrón y la del protón. Pero detectaron una discrepancia que consistía en que esta partícula no era afectada por la interacción fuerte, y por tanto, no podía ser un pión. Actualmente nos referimos a esta partícula con la abreviatura μ y el nombre de muón, ya que en realidad era un leptón, hermano gemelo del electrón, pero con 200 veces su masa.

Antes de seguir veamos las partículas elementales de vida superior a 10^-20 segundos que eran conocidas en el año 1970.

Para cada leptón y cada barión existe la correspondiente antipartícula, con exactamente las mismas propiedades a excepción de la carga que es la contraria. Por ejemplo, el antiprotón se simboliza con  y el electrón con e⁺. Los mesones neutros son su propia antipartícula, y el π⁺ es la antipartícula del π^–, al igual que ocurre con k⁺ y k^–. El símbolo de la partícula es el mismo que el de su antipartícula con una barra encima. Las masas y las vidas medias aquí reflejadas pueden estar corregidas en este momento, pero de todas formas son muy aproximadas.

Los símbolos que se pueden ver algunas veces, como s (extrañeza) e i (isoespín) están referidos a datos cuánticos que afectan a las partículas elementales en sus comportamientos.

Debo admitir que todo esto tiene que sonar algo misterioso. Es difícil explicar estos temas por medio de la simple palabra escrita sin emplear la claridad que transmiten las matemáticas, lo que, por otra parte, es un mundo secreto para el común de los mortales, y ese lenguaje es sólo conocido por algunos privilegiados que, mediante un sistema de ecuaciones pueden ver y entender de forma clara, sencilla y limpia, todas estas complejas cuestiones.

Si hablamos del espín (o, con más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un múltiplo de la constante de Planck, h, dividido por 2π. Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partícula – aunque no la dirección del mismo – es fijo.

El electrón, por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses, Samuel Gondsmit (1902 – 1978) y George Uhlenbeck (1900 – 1988), que escribieron sus tesis conjuntamente sobre este problema en 1972. Fue una idea audaz que partículas tan pequeñas como los electronespudieran tener espín, y de hecho, bastante grande. Al principio, la idea fue recibida con escepticismo porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz, lo cual va en contra de la teoría de la relatividad general en la que está sentado que nada en el universo va más rápido que la luz, y por otra parte, contradice E=mc², y el electrón pasada la velocidad de la luz tendría una masa infinita.

Hoy día, sencillamente, tal observación es ignorada, toda vez que el electrón carece de superficie.

Las partículas con espín entero se llaman bosones, y las que tienen espín entero más un medio se llaman fermiones. Consultado los valores del espín en la tabla anterior podemos ver que los leptones y los bariones son fermiones, y que los mesones y los fotones son bosones. En muchos aspectos, los fermionesse comportan de manera diferente de los bosones. Los fermiones tienen la propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden ocupar o estar en el mismo punto, y su movimiento está regido por ecuaciones tales que se evitan unos a otros. Curiosamente, no se necesita ninguna fuerza para conseguir esto. De hecho, las fuerzas entre los fermiones pueden ser atractivas o repulsivas, según las cargas. El fenómeno por el cual cada fermión tiene que estar en un estado diferente se conoce como el principio de exclusión de Pauli. Cada átomo está rodeado de una nube de electrones, que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra, dando como resultado una fuerza repulsiva. Cuando aplaudimos, nuestras manos no se atraviesan pasando la uno a través de la otra. Esto es debido al principio de exclusión de Pauli para los electrones de nuestras manos que, de hecho, los de la izquierda rechazan a los de la derecha.

En contraste con el característico individualismo de los fermiones, los bosones se comportan colectivamente y les gusta colocarse todos en el mismo lugar. Un láser, por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son bosones.

Cuando hemos hablado de las fuerzas fundamentales que, de una u otra forma, interaccionan con la materia, también hemos explicado que la interacción débil es la responsable de que muchas partículas y también muchos núcleos atómicos exóticos sean inestables. La interacción débil puede provocar que una partícula se transforme en otra relacionada, por emisión de un electrón y un neutrino. Enrico Fermi, en 1934, estableció una fórmula general de la interacción débil, que fue mejorada posteriormente por George Sudarshan, Robert Marschak, Murray Gell-Mann, Richard Feynman y otros. La fórmula mejorada funciona muy bien, pero se hizo evidente que no era adecuada en todas las circunstancias.

Uno de los protones se transmuta en un neutrón por medio de la interacción débil, transformando un quark “up”, en “down”. Este proceso consume energía (el neutrón tiene ligeramente más masa que..

En 1970, de las siguientes características de la interacción débil sólo se conocían las tres primeras:

• La interacción actúa de forma universal sobre muchos tipos diferentes de partículas y su intensidad es aproximadamente igual para todas (aunque sus efectos pueden ser muy diferentes en cada caso). A los neutrinos les afecta exclusivamente la interacción débil.
• Comparada con las demás interacciones, ésta tiene un alcance muy corto.
• La interacción es muy débil. Consecuentemente, los choques de partículas en los cuales hay neutrinos involucrados son tan poco frecuentes que se necesitan chorros muy intensos de neutrinos para poder estudiar tales sucesos.
• Los mediadores de la interacción débil, llamados W⁺, W^– y Z⁰, no se detectaron hasta la década de 1980. al igual que el fotón, tienen espín 1, pero están eléctricamente cargados y son muy pesados (esta es la causa por la que el alcance de la interacción es tan corto). El tercer mediador, Z⁰, que es responsable de un tercer tipo de interacción débil que no tiene nada que ver con la desintegración de las partículas llamada “corriente neutra”, permite que los neutrinos puedan colisionar con otras partículas sin cambiar su identidad.

A partir de 1970, quedó clara la relación de la interacción débil y la electromagnética (electrodébil de Weinberg-Salam).

La interacción fuerte (como hemos dicho antes) sólo actúa entre las partículas que clasificamos en la familia llamada de los hadrones, a los que proporciona una estructura interna complicada. Hasta 1972 sólo se conocían las reglas de simetría de la interacción fuerte y no fuimos capaces de formular las leyes de la interacción con precisión.

Como apuntamos, el alcance de esta interacción no va más allá del radio de un núcleo atómico ligero (10^{-13 cm aproximadamente).}

La interacción es fuerte. En realidad, la más fuerte de todas. Actúa como un muelle de Acero, cuanto más lo estiramos más se resiste. La Interacción fuerte es la única de las cuatro fuerzas que crece con la distancia. Si los Gluones se quieren separar, son agarros por los Gluones y los retienen allí confinados (son las entrañas de los nucleones).

Lo dejaré aquí, en verdad, eso que el Modelo Estándar de la Física, es feo, complejo e incompleto y, aunque hasta el momento es una buena herramienta con la que trabajar, la verdad es que, se necesita un nuevo modelo más avanzado y que incluya la Gravedad.

Y, a todo esto, esperemos que el LHC, dotado de más energía, pueda por fin encontrar al Gravitón

Emilio Silvera Vázquez

La molécula de agua es polar en virtud principalmente de su geometría angular

 Los organismos vivos somos sistemas extremadamente complejos, formados por un elevado número de elementos interrelacionados que deben mantener sus características a lo largo del tiempo, de una generación a otra. Esto supone que debe existir algún mecanismo para que cada elemento de los organismos se elabore de acuerdo a un “plan”, a un modelo de organización establecido, y que ese modelo pueda ser transmitido de una célula a sus descendientes. Esta necesidad de los seres vivos nos acerca a la noción de información genética.

Pero, no cabe duda alguna de que, el acto de exploración modifica la perspectiva del explorador; Ulises, Marco Polo y Colón habían cambiado cuando volvieron a sus lugares de partida . Lo mismo ha sucedido en la investigación científica de los extremos en las escalas, desde la grandiosa extensión del espacio cosmológico hasta el mundo minúsculo y enloquecido de las partículas subatómicas.

La galaxia conocida por el nombre de Bella Durmiente

                                     Una bella galaxia espiral de cien mil años-luz de diámetro que podemos comparar con…¡Un átomo! El tema de las medidas es relativo y todo se supedita a su ámbito natural, cada cosa tiene la medida que requiere su funciòn en el Universo, desde un átomo hasta una galaxia.

En ambos “universos” existe una descomunal diferencia en los extremos de las escalas. Sin embargo, la inmensa galaxia de arriba no sería posible sin la existencia de infinitesimal átomo de abajo. ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas!

Así que, cuando hacemos esos viajes, irremediablemente nos cambian, y, desde luego, desafían muchas de las concepciones científicas y filosóficas que, hasta ese momento, más valorábamos. Algunas tienen que ser desechadas, como el bagaje que se deja atrás en una larga travesía por el desierto. Otras tienen que ser modificadas y reconstruidas hasta quedar casi irreconocibles, ya que, lo que hemos podido ver en esos viajes, lo que hemos descubierto, nos han cambiado por completo el concepto y la perspectiva que del mundo teníamos, conocemos y sabemos.

La exploración del ámbito de las galaxias extendió el alcance de la visión humana en un factor de 10²⁶ veces mayor que la escala humana, y produjo la revolución que identificamos con la relatividad, la cual reveló que la concepción newtoniana del mundo sólo era un parroquianismo en un universo más vasto donde el espacio es curvo y el tiempo se hace flexible.

La exploración del dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a 10^-15 de la escala humana, y también significó una revolución. fue la Física cuántica que, transformó todo lo que abordó.

La teoría cuántica nació en 1900, Max Planck comprendió que sólo podía explicar lo que llamaba la curva del cuerpo negro -el espectro de energía que genera un objeto de radiación perfecta- si abandonaba el supuesto clásico de que la emisión de energía es continua, y lo reemplazó por la hipotesis sin precedentes de que la energía se emite en unidades discretas. Planck llamó cuantos a estas unidades.

1) Figura animada que representa un rayo de luz incidiendo sobre un cuerpo negro hasta su total absorción. 2) En la gráfica se representa la intensidad de la radiación emitida por el cuerpo negro en función de la longitud de onda a diferentes temperaturas. El máximo de la curva aumenta al ir hacia menores longitudes de onda (Ley de Wien). Se compara con el modelo clásico de Rayleigh-Jeans a altas temperaturas (5000 K) comprobándose la llamada catástrofe del ultravioleta

La constante de Planck es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, Max Plancc, uno de los padres de dicha teoría. Denotada como , es la constante que frecuentemente se define como el cuanto elemental de acción. Planck la denominaría precisamente «cuanto de acción»

Fue inicialmente propuesta como la constante de proporcionalidad entre la energía de un fotón y la frecuencia de su onda electromagnética asociada. Esta relación entre la energía y la frecuencia se denomina «relación de Planck»:

Dado que la frecuencia , la longitud de onda lambda” />, y la velocidad de la luz cumplen lambda . f = c ” />, la relación de Planck se puede expresar como:

Otra ecuación fundamental en la que interviene la constante de Planck es la que relaciona el momento lineal de una partícula con la longitud de onda de De Broglie λ de la misma:

En aplicaciones donde la frecuencia viene expresada en términos de radianes por segundo o frecuencia angular, es útil incluir el factor 1/2 dentro de la constante de Planck. La constante resultante, «constante de Planck reducida» o «constante de Dirac», se expresa como ħ (“h barra“):

De esta forma la energía de un fotón con frecuencia angular omega” />, donde omega = 2 \pi . f

Por otro lado, la constante de Planck reducida es el cuanto del momento angular en mecánica cuántica.

Planck definió a “sus” cuantos en términos del “cuanto de acción”, simbolizado por la letra h que ahora, se ha convertido en el símbolo de una constante,  la constante de Planck, h.  Planck no era ningún revolucionario – a la edad de cuarenta y dos años era un viejo, juzgado por patrones de la ciencia matemática y, además, un pilar de la elevada cultura alemana del siglo XIX-, pero se percató fácilmente de que el principio cuántico echaría abajo buena de la física clásica a la que había dedicado la mayor parte de su carrera. “Cuanto mayores sean las dificultades -escribió-…tanto más importante será finalmente para la ampliación y profundización de nuestros conocimientos en la física.”

Sus palabras fueron proféticas: cambiando y desarrollándose constantemente, modificando su coloración de manera tan impredecible como una reflexión en una burbuja de , la física cuántica pronto se expandió practicamente a todo el ámbito de la física, y el cuanto de acción de Planck, h llegó a ser considerado una constante de la Naturaleza tan fundamental como la velocidad de la luz, c, de Einstein.

           Dos buenos amigos, dos genios

Max Planck es uno de los científicos a los que más veces se le han reconocido sus méritos y, su , está por todas partes: La Constante de Planc, las Unidades de Planck, El cuanto de Planck, la Radiación de Planck, El Tiempo de Planck, la masa de Planck, la Energía de Planck, la Longitud de Planck… ¡Todo merecido!

Confinados en nuestro pequeño mundo, una mota de polvo en la inmensidad de una Galaxia grandiosa que, a su vez, forma parte de un universo “infinito”, hemos podido darnos traza para poder saber, a pesar de las enormes distancias, sobre lo que existe en regiones remotas del Universo.  Un Universo formado por Supercúmulos de galaxias que formadas en grupos conforman la materia visible, y, dentro de cada una de esas galaxias, como si de universos se tratara, se reproducen todos los objetos y fenómenos que en el Universo son.

https://youtu.be/uaGEjrADGPA

Sigamos con la escala del Universo conocido y hagamos un pequeño esquema que lo refleje: El Universo Observable, la mayor escala que abarca más de 100 mil trillones de kilómetros (según nos cuenta Timothy Ferris:

Radio en metros                                                                   Objetos característicos

10²⁶                                                                                                 Universo observable

10²⁴                                                                                                 Supercúmulos de Galaxias

10²³                                                                                                 Cúmulos de Galaxias

10²²                                                                                                 Grupo de Galaxias (por ejemplo el Grupo Local)

10²¹                                                                                                  Galaxia La Vía Láctea

Nube Molecular gigante muy masiva, de gas y polvo compuesta fundamentalmente de moléculas con diámetro típico de 100 a.l. Tienen masa de diez millones de masas solares (moléculas de Hidrógeno (H₂) el 73% en masa), átomos de Helio (He, 25%), partículas de polvo (1%), Hidrógeno atómico neutro (H I, del 1%) y, un rico coctel de moléculas interestelares. En nuestra galaxia existen al menos unas 3000 Nubes Moleculares Gigantes, estando las más masivas situadas cerca de la radiofuente Sagitario B en el centro Galáctico.

10¹⁸                                                                                                  Nebulosas Gigantes, Nubes Moleculares

10¹²                                                                                                                                                   Sistema Solar

10¹¹                                                                                                  Atmósfera externa de las Gigantes rojas

Aunque a una Unidad Astronómica de distancia (150 millones de Kilómetros de la Tierra), el Sol caliente el planeta y nos da la vida

10⁹                                                                                                  El Sol

10⁸                                                                                                  Planetas Gigantes Júpiter

10⁷                                                                                                  Estrellas enanas,  planetas similares a la Tierra

10⁵                                                                                                  Asteroides, núcleos de cometas

10⁴                                                                                                  Estrellas de Neutrones

          Los seres humanos son parte del Universo que tratan de descubrir

1                                                                                                      Seres Humanos

10^-2                                                                                                Molécula de ADN (eje largo)

10^-5                                                                                                Células vivas

                                 Células vivas

10^-9                                                                                                Molécula de ADN (eje corto)

10^-10                                                                                              Átomos

10^-14                                                                                             Núcleos de átomos pesados

10^-15                                                                                             Protones y Neutrones

10^-35                                                                                            Longitud de Planck: cuanto de espacio; radio de partículas sin dimensiones = la cuerda.

Es la escala de longitud a la que la descripción clásica de la Gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en la mecánica cuántica. Está dada por la ecuación de arriba, donde G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c es la velocidad de la luz. El valor de la longitud de Planck es del orden de 10^-35 m (veinte órdenes de magnitud menorque el tamaño del protón 10^-15 m).

Me llama la atención y me fascina la indeterminación que está inmersa en el mundo cuántico. La indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado investigar el mundo subatómico. Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra.

Por muy avanzados que pudieran estar, ellos también estarían supeditados al Principio de Incertidumbre o Indeterminación cuántica, y, como nosotros, cuando trataran de encontrar (sea cual fuese las matemáticas o sistemas que emplearan para hallarlo) el resultado de la constante de estructura fina, la respuesta sería la misma: 137, puro y adimensional.

Todo esto nos ha llevado a la más firme convicción definir la visión del mundo de la física que nos revelaba que no sólo la materia y la energía sino que también el conocimiento están cuantizados. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. Los mismos radios orbitales están cuantizados, y el electrón simplemente deja de existir en un punto para aparecer simultáneamente en otro. Este es el famoso “salto cuántico” que tanto desconcierta, y no es un mero problema filosófico, es una realidad que, de , no hemos llegado a comprender.

           No, esto no es un salto cuántico. Simplemente le tocó la Lotería

Pero, ¿quién sabe? Quizás un día lejano aún en el tiempo, cuando descubramos el secreto que salto cuántico nos esconde, poderemos aprovechar la misma técnica que emplea la Naturaleza con los electrones hacer posible que se transporten de un lugar a otro sin tener que recorrer las distancias que separan ambos destinos.

    Estaría bien poder trasladarse las estrellas por ese medio

Bueno, pongamos los pies en el suelo, volvamos a la realidad. La revolución cuántica ha sido penosa, pero podemos agradecerle que, nos haya librado de muchas ilusiones que afectaban a la visión clásica del mundo. Una de ellas era que el hombre es un ser aparte, separado de la naturaleza a la que en realidad, no es que esté supeditado, sino que es, ella. ¡Somos Naturaleza!

Está claro, como nos decía Immanuel Kant que:

“La infinitud de la creación es suficientemente grande como para que un mundo, o una Vía Láctea de mundos, parezca, en comparación con ella, lo que una flor o un insecto en comparación con la Tierra.”

 

Algún día podríamos desaparecer en una especie de plasma como ese de la imagen y salir al “otro lado” que bien (¡Por qué no) podría ser otra galaxias lejana. Creo que la imaginación se nos ha dado para algo y, si todo lo que podemos imaginar se realizar, la conclusión lógica es que sólo necesitamos ¡Tiempo!

Sí, amigos míos, la Naturaleza vive en constante movimiento, y, nosotros, que formamos parte de ella…También vivimos en una constante evolución física y del conocimiento. Tenemos que llegar a conocerla.

 

Existen muchos mundos con dos soles, ¿Cómo será vivir en uno de ellos?

 

En tiempos y lugares totalmente inciertos,

Los átomos dejaron su camino celeste,

Y mediante abrazos fortuitos,

Engendraron todo lo que existe.

Maxwell

Doy las gracias a Timothy Ferris de cuyo libro, La Aventura del Universo, he podido obtener bellos pasajes que aquí quedan incluidos.

Emilio Silvera Vázquez

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”. Representa el tiempo que tarda la mitad de los núcleos de una muestra de sustancia radiactiva en desintegrarse. La vida media se calcula utilizando la siguiente fórmula: T = (0.693 / λ) Donde: T es la vida media.

¿Cómo se determina la vida media de una partícula?

Representa el tiempo que tarda la mitad de los núcleos de una muestra de sustancia radiactiva en desintegrarse. La vida media se calcula utilizando la siguiente fórmula: T = (0.693 / λ) Donde: T es la vida media.

 

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 protón y un anti-protón 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 corta 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 estaban siendo perseguidas desde hace algún tiempo con algunos proyectos como LIGO, hasta que, al fin, parece que las han encontrado.

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.

La partícula delta es un barión que contiene sólo quarks up y down. El Δ⁺ y el Δ⁰ tienen las mismas composiciones de quarks que el protón y el neutrón, respectivamente, y decae rápidamente por la interacción fuerte en un protón, un neutrón y un π⁰. Si para una partícula está disponible tal vía de decaimiento, se descompone muy rápidamente -sobre el orden de 10^-23 segundos-. Otro ejemplo es el decaimiento Δ⁰ –> p⁺ + π^–. Téngase en cuenta que el barión delta Δ⁰ tiene la misma composición de quarks que el neutrón, pero su masa es mucho mayor. Su masa es suficiente para que este decaimiento sea energéticamente favorable. Las cuatro variedades tienen masas similares y se dice que son un cuarteto isospín con isospin 3/2.

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).

También se desintegran los mesones π. De qué modo las resonancias pueden captarse también en semejantes sistemas lo mostraremos en el ejemplo de la resonancia en el sistema mesón π — hiperón Λ⁰.

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.

Los científicos del CERN, el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, anunciaron hace algún tiempo ya que, en uno de sus experimentos están presentes los indicios del descubrimiento de una nueva partícula jamás observada hasta el momento, llamada pentaquark.   Esta nueva partícula tiene la peculiaridad de que está compuesta por cinco quarks a diferencia de las partículas de materia ordinaria como protones y neutrones que están compuestas tan sólo por tres.

    Una “bolsa” de 5 quarks

  Modelo “mesón+barión”

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.(Bueno, ahora son 19 después del descubrimiento del Bosón de Higgs).

Sin embargo, a mí particularmente me quedan muchas dudas al respecto.

Pero, no debemos olvidar que… ¡Todo lo grande está hecho de “cosas” pequeñas!

Emilio Silvera Vázquez

  ¿Qué habrá en los Océanos de Higgs? ¡Si existen!

                Primeras imágenes de átomos en movimiento en una molécula

Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (Estados Unidos), han registrado, utilizando una nueva cámara ultrarrápida, la primera imagen en tiempo real de dos átomos vibrando en una molécula. La clave del experimento, que ha sido publicado en la revista ‘Nature’, fue la utilización de la energía del propio electrón de una molécula.