Abundancia Cósmica de los Elementos

                                       Este es el patrón de la masa, 1 Kilogramo

Cuando hablamos de masa, nos estamos refiriendo a la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración. Todos sabemos la inmensa cantidad de combustible que se necesita para enviar al espacio exterior a esos transbordadores que llevan suministros y astronautas al espacio exterior para el mantenimiento de la Estación Espacial Internacional. El esfuerzo, es vencer la masa que se quiere transportar hasta que esta, alcanzando los 11 km/s de velocidad, pueda escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra y poder así, cumplir con su cometido.

De acuerdo con las leyes de Newton del movimiento, si dos masas distintas, m₁ y m₂, son hechas colisionar en ausencia de cualquier otra fuerza, ambas experimentaran la misma fuerza de colisión. Si los dos cuerpos adquieren aceleraciones a₁ y a₂, como resultado de la colisión, entonces m₁ a₁ = m₂ a₂. Esta ecuación permite comparar dos masas. Si una de las masas se considera como una masa estándar, la masa de todas las demás puede ser medida comparándola con esta masa estándar. El cuerpo utilizado para este fin es un cilindro de un kilógramo de una aleación de platino iridio. llamado el estándar internacional de masa. La masa definida de esta forma es llamada masa inercial del cuerpo.

Las masas también se pueden definir midiendo la fuerza gravitacional que producen. Por tanto, de acuerdo con la ley de gravitación de Newton, m_g = Fd² / MG, donde M es la masa de un cuerpo estándar situado a una distancia d del cuerpo de masa m_g; F es la fuerza gravitacional entre ellos, y G es la constante gravitacional. La masa definida de esta forma es la masa gravitacional. En el siglo XIX, Roland Eötvös (1848-1919) demostró experimentalmente que las masas inerciales y gravitatorias son indistinguibles, es decir, m₁ = m_gv.

Aunque la masa se define formalmente utilizando el concepto de inercia,  es medida habitualmente por gravitación. El peso (W) de un cuerpo es la fuerza con la que un cuerpo es atraído gravitacionalmente a la Tierra, corregido por el efecto de la rotación, y es igual al producto de la masa del cuerpo y la aceleración en caída libre (g), es decir, W = mg.

                      Kilogramo patrón.

El kilogramo (unidad de masa) tiene su patrón en: la masa de un cilindro fabricado en 1880, compuesto de una aleación de platino-iridio (90 % platino – 10 % iridio), creado y guardado en unas condiciones exactas, y que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, cerca de París.

Oficina Internacional de Pesos y Medidas, cerca de París.

La masa es la única unidad que tiene este patrón, además de estar en Sevres (Paris), hay copias en otros países que cada cierto tiempo se reúnen para ser regladas y ver si han perdido masa con respecto a la original.

No olvidemos que medir es comparar algo con un patrón definido universalmente.

¿Y el peso?

De nuevo, atención a lo siguiente: la masa (la cantidad de materia) de cada cuerpo es atraída por la fuerza de gravedad de la Tierra. Esa fuerza de atracción hace que el cuerpo (la masa) tenga un peso, que se cuantifica con una unidad diferente: el Newton (N).

La UNIDAD DE MEDIDA DEL PESO ES EL NEWTON (N)

Entonces, el peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre una masa y ambas magnitudes son proporcionales entre sí, pero no iguales, pues están vinculadas por el factor aceleración de la gravedad.

En el lenguaje común, el peso y la masa son frecuentemente usados como sinónimos; sin embargo, para fines científicos son muy diferentes. La masa es medida en kilogramos; el peso, siendo una fuerza, es medido en newtons (símbolo N. Unidad del SI de la fuerza, siendo la fuerza requerida para comunicar a una masa de un kilogramo una aceleración de 1 m s –²). Es más, el peso depende de donde sea medido, porque el valor de g es distintos en diferentes puntos de la superficie de la Tierra. La masa, por el contrario, es constante donde quiera que se mida, sujeta a la teoría especial de la relatividad. De acuerdo con esta teoría, publicada por Albert Einstein en 1905, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido total de energía.

Por tanto, si la energía del cuerpo crece, por ejemplo, por un aumento de su energía cinética o temperatura, entonces su masa también crece. De acuerdo con esta ley, un aumento de energía ΔE está acompañado de un aumento de masa Δm, en conformidad con la ecuación de masa-energía  Δm = ΔE/c^2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, si un kilo de agua se eleva de temperatura en 100 K, su energía interna aumentará en 4 x 10 –¹² kg. Este es, por supuesto, un incremento despreciable y la ecuación de masa-energía es sólo significativa para energías extremadamente altas. Por ejemplo, la masa de un electrón es siete veces mayor si se mueve con relación a un observador al 99% de la velocidad de la luz.

Ya sabemos que, se ha comprobado una y mil veces que, la teoría de Einstein de la relatividad especial es cierta en el sentido de que, al ser la velocidad de la luz el límite de velocidad del Universo, nada puede ir más rápido que la luz, cuando un cuerpo viaja a velocidades cercanas a la de la luz, a medida que se acerca a ella, puede ver como su masa aumenta, ya que, la energía de movimiento se convierte en masa al no poder conseguir su objetivo de marchar más rápido que la luz.

En los anillos enterrados en las entrañas de la Tierra, haces de partículas son lanzadas a la velocidad de la luz para que colisionen y, su peso aumenta conforme se van acercando a ese límite marcado por el universo.

La masa relativista de un cuerpo medida por un observador (un físico del LHC que mide el aumento de masa de los protones a medida que adquieren velocidad en el acelerador de partículas del CERN) con respecto al cual este cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein, la masa m de un cuerpo moviéndose a velocidad v está dada por  m = m₀/√ (1 – v² / c²), donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista solo difiere significativamente de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable  de la velocidad de la luz. Si v = c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Según las consecuencias obtenidas en el proyecto Manhattan, lo que sí es seguro es que, una pequeña fracción de materia, contiene una gran cantidad de energía. Según nos decía Asimov: “…un sólo gramo de materia se podría convertir en energía eléctrica que bastaría para mantener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años. O bien, la energía que representa un sólo gramo de materia es equivalente a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina”.

Una cosa si que nos puede quedar muy clara: Aunque sabemos algunas cosas sobre la masa y lo que entendemos por la energía, no podemos decir que, al día de hoy, “sepamos de verdad”, lo que la masa y la energía son.

Seguiremos aprendiendo. Sin embargo, nunca dejes de tener en cuenta que, lo que es cierto hoy, mañana será una verdad distinta. Todo dependen de la teoría aceptada en el momento, toda vez que, con el paso del tiempo las ideas evolucionan y todo es mejorables a medida que nuestros conocimientos avanzan. Así que la idea que podamos tener de Gravedad, masa, energía e inercia, mañana podría ser distinta a la que hoy podamos tener.

Emilio Silvera V.

  Algo más sobre Física

La Naturaleza juega con el paso del Tiempo para cambiar las cosas utilizando herramientas como la Temperatura y otras fuentes de energía. En el agua, tenemos un ejemplo cercano y cotidiano de esos cambios que se producen merced a diversas circunstancias. Así, podemos constatar que, en la Naturaleza, nada permanece para siempre, todo cambia y se transforma en algo diferente a lo que fue.

Las transiciones de fase no son nada nuevo. Trasladémoslo a nuestras propias vidas. En un libro llamado Pasajes, el autor, Gail Sheehy, destaca que la vida no es un flujo continuo de experiencias, como parece, sino que realmente pasa por varios estadios, caracterizados por conflictos específicos que debemos resolver y por objetivos que debemos cumplir.

 

“Comienzo de Trabajos y días (folio 3Av/4Ar).  Trabajos y días (en griego antiguo Ἔργα καὶ Ἡμέραι, referida a veces por el nombre latino Opera et Dies) es un poema de unos 800 versos escrito por Hesíodo en torno al 700 a. C. La obra está compuesta a partir de géneros poéticos preexistentes que la tradición oral griega había incorporado del mundo oriental: sobre todo, variantes del “catálogo” (cuyo ejemplo homérico es el canto II de la Ilíada): los “calendarios” y los “días”; y de colecciones de consejos, instrucciones y proverbios (como el Ahikar asirio)”

Todo, hasta la acción y los pensamientos del hombre a lo largo de la Historia son cambiantes.

Sí, todo cambia con el paso del Tiempo, los pensamientos también

Lo cierto es que, a lo largo de toda nuestra vida estamos experimentando cambios de fase que se producen hasta en la manera de pensar, de ver las cosas y el mundo que nos rodea. Nosotros, al igual que todo en el Universo, somos objeto de cambios continuados que se están produciendo desde nuestro nacimiento hasta nuestro final.

El psicólogo Eric Ericsson llegó a proponer una teoría de estadios psicológicos del desarrollo. Un conflicto fundamental caracteriza cada fase. Si este conflicto no queda resuelto, puede enconarse e incluso provocar una regresión a un periodo anterior. Análogamente, el psicólogo Jean Piaget demostró que el desarrollo mental de la primera infancia tampoco es un desarrollo continuo de aprendizaje, sino que está realmente caracterizado por estadios discontinuos en la capacidad de conceptualización de un niño. Un mes, un niño puede dejar de buscar una pelota una vez que ha rodado fuera de su campo de visión, sin comprender que la pelota existe aunque no la vea. Al mes siguiente, esto resultará obvio para el niño.

Todo comienza siendo de una manera y, con el paso del Tiempo, termina siendo otra

Esta es la esencia de la dialéctica. Según esta filosofía, todos los objetos (personas, gases, estrellas, el propio universo) pasan por una serie de estadios. Cada estadio está caracterizado por un conflicto entre dos fuerzas opuestas. La naturaleza de dicho conflicto determina, de hecho, la naturaleza del estadio. Cuando el conflicto se resuelve, el objeto pasa a un objetivo o estadio superior, llamado síntesis, donde empieza una nueva contradicción, y el proceso pasa de nuevo a un nivel superior.

Los filósofos llaman a esto transición de la “cantidad” a la “cualidad”.  Pequeños cambios cuantitativos se acumulan hasta que, eventualmente, se produce una ruptura cualitativa con el pasado. Esta teoría se aplica también a las sociedades o culturas. Las tensiones en una sociedad pueden crecer espectacularmente, como la hicieron en Francia a finales del siglo XVIII. Los campesinos se enfrenaban al hambre, se produjeron motines espontáneos y la aristocracia se retiró a sus fortalezas. Cuando las tensiones alcanzaron su punto de ruptura, ocurrió una transición de fase de lo cuantitativo a los cualitativo: los campesinos tomaron las armas, tomaron París y asaltaron la Bastilla.

                                    Las tensiones terminan por romperlo todo. Nada aguanta de manera indefinida

Las transiciones de fases pueden ser también asuntos bastante explosivos. Por ejemplo, pensemos en un río que ha sido represado. Tras la presa se forma rápidamente un embalse con agua a enorme presión. Puesto que es inestable, el embalse está en el falso vacío. El agua preferiría estar en su verdadero vacío, significando esto que preferiría reventar la presa y correr aguas abajo, hacia un estado de menor energía. Así pues, una transición de fase implicaría un estallido de la presa, que tendría consecuencias desastrosas.

También podría poner aquí el ejemplo más explosivo de una bomba atómica, donde el falso vacío corresponde al núcleo inestable de uranio donde residen atrapadas enormes energías explosivas que son un millón de veces más poderosas, para masas iguales, que para un explosivo químico.  De vez en cuando, el núcleo pasa por efecto túnel a un estado más bajo, lo que significa que el núcleo se rompe espontáneamente. Esto se denomina desintegración radiactiva. Sin embargo, disparando neutrones contra los núcleos de uranio, es posible liberar de golpe esta energía encerrada según la formula de Einstein E = mc². Por supuesto, dicha liberación es una explosión atómica; ¡menuda transición de fase!

La bomba de uranio es más simple que la de plutonio y funciona cuando a una masa de uranio que aún no ha alcanzado el punto crítico de reacción en cadena descontrolada, se le añade una cantidad del mismo elemento para alcanzar esa masa crítica con la capacidad de fisionarse por sí sola. De forma simultánea, a esa masa se le agregan más elementos que potencian la creación de neutrones libres. Esto produce una aceleración de la velocidad de la reacción en cadena, resultando en la destrucción del área que rodea el dispositivo debido a la onda de choque creada por la liberación de los neutrones.

Las nuevas características descubiertas por los científicos en las transiciones de fases es que normalmente van acompañadas de una ruptura de simetría. Al premio Nobel Abdus Salam le gusta la ilustración siguiente: consideremos una mesa de banquete circular, donde todos los comensales están sentados con una copa de champán a cada lado. Aquí existe simetría. Mirando la mesa del banquete reflejada en un espejo, vemos lo mismo: cada comensal sentado en torno a la mesa, con copas de champán a cada lado.  Asimismo, podemos girar la mesa de banquete circular y la disposición sigue siendo la misma.

Rompamos ahora la simetría. Supongamos ahora que el primer comensal toma la copa que hay a su derecha. Siguiendo la pauta, todos los demás comensales tomaran la copa de champán de su derecha. Nótese que la imagen de la mesa del banquete vista en el espejo produce la situación opuesta.  Cada comensal ha tomado la copa izquierda. De este modo, la simetría izquierda-derecha se ha roto.

Así pues, el estado de máxima simetría es con frecuencia también un estado inestable, y por lo tanto corresponde a un falso vacío.

No os equivoquéis, lo que llaman “Vacío de Bootes” que también es un falso “vacío” de inmensas dimensiones. El vacío absoluto no existe, siempre hay. ¿Cómo vamos a pretender que este “vacío” de 330 millones de años luz no cont4enga nada?

Cuando hablamos de falso vacío lo hacemos del estado en teoría cuántica de campos que es un mínimo local, pero no un estado de energía mínima del sistema en su totalidad (lo que se denomina el verdadero vacío). Tarde o temprano ocurrirá un efecto túnel desde el falso vacío al vacío verdadero, que puede ser calculado por técnicas de instantón. El falso vacñio no ha sido nunca observado, pero se predice que existe en varias teorías cuánticas de campo de relevancia para el estudio de las partículas elementales, incluyendo las teorías de gran unificación. En particular, ha sido sugerido que el falso vacío puede ser el responsable de la expansión del universo inflacionario, que pudo haber sido importante en el universo primitivo.

      Solo podemos ver tres dimensiones y sentir la cuarta

Con respecto a la teoría de supercuerdas, los físicos suponen (aunque todavía no lo puedan demostrar) que el universo deca-dimensional original era inestable y pasó por efecto túnel a un universo de cuatro y otro de seis dimensiones. Así pues, el universo original estaba en un estado de falso vacío, el estado de máxima simetría, mientras que hoy estamos en el estado roto del verdadero vacío.

Lo cierto es que, por mucho que nos esforzamos mentalmente para “ver” ese universo de más dimensiones… ¡No conseguimos verlo!

Al principio, cuando el universo era simétrico, sólo existía una sola fuerza que unificaba a todas las que ahora conocemos, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débil y fuerte, todas emergían de aquel plasma opaco de alta energía que lo inundaba todo. Más tarde, cuando el universo comenzó a enfriarse, se hizo transparente y apareció la luz, las fuerzas se separaron en las cuatro conocidas, emergieron las primeras quarks para unirse y formar protones y neutrones, los primeros núcleos aparecieron para atraer a los electrones que formaron aquellos primeros átomos.  Doscientos millones de años más tarde, se formaron las primeras estrellas y galaxias. Con el paso del tiempo, las estrellas sintetizaron los elementos pesados de nuestros cuerpos, fabricados en supernovas que estallaron, incluso antes de que se formase el Sol. Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que una supernova anónima explotó hace miles de millones de años y sembró la nube de gas que dio lugar a nuestro sistema solar, poniendo allí los materiales complejos y necesarios para que algunos miles de millones de años más tarde, tras la evolución, apareciéramos nosotros.

Las estrellas evolucionan desde que en su núcleo se comienza a fusionar hidrógeno en helio, de los elementos más ligeros a los más pesados.  Avanza creando en el horno termonuclear, cada vez, metales y elementos más pesados. Cuando llega al hierro y explosiona en la forma explosiva de  una supernova. Luego, cuando este material estelar es otra vez recogido en una nueva estrella rica en hidrógeno, al ser de segunda generación (como nuestro Sol), comienza de nuevo el proceso de fusión llevando consigo materiales complejos de aquella supernova.

Puesto que el peso promedio de los protones en los productos de fisión, como el cesio y el kriptón, es menor que el peso promedio de los protones de uranio, el exceso de masa se ha transformado en energía mediante E = mc². Esta es la fuente de energía que subyace en las explosiones atómicas.

       El tiempo con ayuda de la entropía, lo transforma todo. Hoy es, mañana no es

Así pues, la curva de energía de enlace no sólo explica el nacimiento y muerte de las estrellas y la creación de elementos complejos que también hicieron posible que nosotros estemos ahora aquí y, muy posiblemente, será también el factor determinante para que, lejos de aquí, en otros sistemas solares a muchos años luz de distancia, puedan florecer otras especies inteligentes que, al igual que la especie humana, se pregunten por su origen y estudien los fenómenos de las fuerzas fundamentales del universo, los componentes de la materia y, como nosotros, se interesen por el destino que nos espera en el futuro.

Cuando alguien oye por vez primera la historia de la vida de las estrellas, generalmente (lo sé por experiencia), no dice nada, pero su rostro refleja escepticismo. ¿Cómo puede vivir una estrella 10.000 millones de años? Después de todo, nadie ha vivido tanto tiempo como para ser testigo de su evolución.

El Sol se convertirá en Gigante Roja y engullirá Mercurio y Venus, la Tierra quedará arrasada

Sin embargo, tenemos los medios técnicos y científicos para saber la edad que tiene, por ejemplo, el Sol. Y, como podemos contemplar en la imagen de arriba, sabemos de los cambios que se avecinan. Dentro de unos cinco mil millones de años, cuando se agote el combustible nuclear de fusión, el Sol se convertirá en una gigante roja que crecerá más y más hasta alcanzar 1 UA (ciento cincuenta millones de kilómetros) y, engullirá a los planetas Mercurio y Venus y, nuestra querida Tierra, quedará literalmente arrasada por las terroríficas temperaturas de los vientos solares que evaporarán los océanos y hará imposible ninguna clase de vida sobre el planeta.

Nuestro Sol, la estrella alrededor de la que giran todos los planetas de nuestro Sistema Solar es la estrella más cercana a la Tierra (150 millones de Km = 1 UA), con un diámetro de 1.392.530 Km, tiene una edad de 4.500 millones de años y, aunque fusiona 4.654.600 Tn de Hidrógeno en Helio cada segundo, aún le quedan otros cinco mil millones de años de vida.

                       El Universo como una burbuja dentro de la cual está, ¡todo lo que existe!

El Universo siempre nos parece inmenso, y, al principio, aquellos pensadores que estuvieron aquí antes que jnosotros y que empezaron a preguntarse cómo sería, lo imaginaron como una esfera cristalina que dentro contenía unos pocos mundos y algunas estrellas, hoy, hemos llegado a saber un poco más sobre él. Sin embargo, dentro de unos cuantos siglos, los que detrás de nosotros llegarán, hablarán de universos en plural, y, cuando pasen algunos eones, estaremos de visita de un universo a otro como ahora vamos de una ciudad a otra.

¡Más transiciones de fase! Ahora de evolución del el conocimiento. ¡Quién pudiera estar allí! En ese futuro en el que, realmente y si nada lo remedia, nos podremos llamar “Señores del Espacio” “Descubridores de Mundos” “Habitantes del Universo”…

¡Sería bonito ser testigo de todo eso!

¡Qué bonito es saber, a mí me gustaría!

Emilio Silvera V.