Acelerando, que es gerundio

Tras el impacto que supuso el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, el 4 de julio del 2012 (el viernres hizo dos años), la atención mundial se volvió hacia la Física y, en concreto a los físicos de partículas. Provistos de un lápiz y un papel, y de su cabeza prodigiosa Robert Brout, François Englert y Peter Higgs describieron en 1964 un mecanismo que incluía una partícula, que acabó llamándose con el nombre del último de ellos, que debía cumplir determinadas condiciones. Y que era fundamental para sostener el edificio de lo que se llama el Modelo Estándar, es decir, la física que explica el origen del universo y que se deriva de la explosión inicial, el Big Bang que tuvo lugar hace 13.800 millones de años.

Cincuenta años y muchos millones de inversión después, esa partícula apareció en el experimento que se anunció hace dos años. Y, parece, estaba justo donde la teoría había predicho que iba a estar, es decir, supone un respaldo muy notable al Modelo, puesto que la capacidad de predicción, y la comprobación de esas predicciones es, precisamente, lo que dota de solidez a las teorías. Y, además del bosón, los neutrinos superlumínicos (aunque luego se demostró que era un error, y la propia confirmación del error fue noticia relevante) y muy recientemente, y sin honores de portada, la presunta y aún controvertida detección de ondas gravitatorias procedentes del Big Bang, siguen colocando a la física de partículas en la lista de intereses de la sociedad.

La física gallega Mar Capeans, en el experimento ATLAS.

 La participación española en estos avances ha ido incrementándose a los largo del siglo pasado y en los primeros años de este. De la casi testimonial presencia de algunos físicos notables en los años 20, hemos pasado a tener el peso que nos corresponde, tanto en la financiación del CERN como en la presencia de investigadores españoles en ese laboratorio, la máquina que nos está permitiendo comprobar la veracidad de las teorías. Ese presencia ha pasado por altos y bajos, en función del interés de los políticos del momento y de los problemas de financiación, pero hoy está bastante consolidada y de ninguna manera debería volverse atrás.

La ciudad de Valencia fue designada para albergar en la 37º Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2014), el mayor evento mundial de este tipo y allí estuvio la crema de la física mundial.

 Precisamente, y como espaldarazo a esa comunidad española de físicos de partículas, este año, en Valencia, se han dado cita un millar de físicos de partículas, quizá los más relevantes del mundo, para poner en común sus últimas investigaciones en estos apasionantes campos. Se trata de la 37ª Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, ICHEP 2014, que se celebra del 2 al 9 de julio en esta capital.

Sabemos que nos estamos adentrando en un territorio nuevo, que estamos viendo lo que nunca nadie vio, que estamos dando pasos, más grandes o más pequeños, para conocer con precisión de qué materia esta hecho todo, incluso el sueño del conocimiento. Y aquí, en Valencia, esos investigadores intentan poner todo ello en común. Y, también, sentarán las bases de hacia donde se dirigirán las miradas en los próximos años, porque aquí, en esta reunión, se va a debatir cómo serán las máquinas del futuro, los grandes aceleradores por venir, de hasta 100 kilómetros de longitud. Es decir, aquí se diseñarán las ventanas que determinarán el conocimiento en las próximas décadas.

La Física está presente en muchos sectores de la vida cotidiana

Y, como es natural, hay quien se preguntará que para qué sirve todo esto. Hay muchas maneras de argumentar a favor de la inversión en ciencia –ojo, inversión, no gasto- pero voy a citar aquí sólo una, la que, en la inauguración de este congreso trajo a colación Adolfo de Azcárraga, presidente de la Real Sociedad Española de Física. Según un reciente estudio de la European Physical Society “por cada euro invertido en la industria más relacionada con la física se generan 2,4 euros en actividad económica y por cada puesto de trabajo en el sector de la física se crean 2,8 empleos en los demás sectores de la economía”. Podríamos recordar también la vieja anécdota de Faraday y el primer ministro Gladstone, en los albores de la electricidad: “¿para qué sirve esto?” preguntó el político; “ya verá cuando su señoría pueda gravarlo con impuestos” respondió el físico.

 Pero, como también recordó Azcárraga, “más allá de la importancia que la física tiene por sí misma, realiza una importante contribución al bienestar de la sociedad”. El mundo tal y como funciona hoy, cimentado sobre la electricidad de Faraday, basa buena parte de su comodidad en los hallazgos de la física, desde los teléfonos móviles a los GPS, desde las neveras a los aviones. Y es preciso, además, poner ese conocimiento en común, en primer lugar porque la ciencia hoy es comunicación o no existe, pero también porque debe serlo no sólo entre los científicos sino entre los científicos y la sociedad. Tal y como dijo Bertrand Russell: “la ignorancia total del mundo científico no es compatible con la supervivencia de la humanidad”.

La ESO ha obtenido la imagen infrarroja más precisa de la Nebulosa Carina captada por el Telescopio de Largo Alcance del Observatorio Austral Europeo. La Nebulosa de la Quilla, también llamada Nebulosa de Carina, Nebulosa de Eta Carinae o NGC 3372, es una gran nebulosa de emisión (cuatro veces más grande que Orión) que rodea varios cúmulos abiertos de estrellas. Entre estas estrellas se encuentran Eta Carinae y HD 93129A,  dos de las estrellas más masivas y más luminosas en la Vía Láctea. La nebulosa se encuentra a una distancia estimada de entre 6 500 a 10 000 años-luz de la Tierra. Se encuentra localizada en la constelación de la Quilla (Carina). Esta nebulosa contiene diversas estrellas tipo O.

Carina (la quilla),  es una constelación austral austral que forma parte de la antigua constelación de Argo Navis (el navío Argo).  La Unión Astronómica Internacional  la dividió en cuatro componentes: Carina (la Quilla), Vela (la Vela), Puppis (la Popa)  y Pyxis (el compás o la Brújula).

Aquí la joven estrella S106 IR expulsa material a gran velocidad y perturba el gas y el polvo que la rodean, rebelándose contra su ’nube madre’. La postal captada por el Hubble tiene forma de ángel con las alas extendidas. El 16 diciembre de 2011, una de las cámaras de gran campo del telescopio espacial Hubble ha captado esta imagen de una nube de hidrógeno gigante iluminada por una brillante estrella joven. La imagen revela cuán violentas pueden llegar a ser las etapas finales del proceso de formación estelar.

Pese a los colores celestiales de esta imagen, nada ocurre tranquilamente en la región de formación estelar Sh 2-106, o S106. En ella se aloja la joven estrella S106 IR, que expulsa a gran velocidad material que altera el gas y el polvo circundantes. Esta estrella tiene una masa 15 veces superior a la del sol y está en las etapas finales de su formación; pronto, cuando entre en la fase de su evolución llamada ‘de secuencia principal’ –el equivalente a la etapa adulta de su vida estelar-, se calmará y brillará durante algunos millones de años. Vivirá menos que el Sol, ya que, su voracidad en consumir el mateiral estelar será mucho mayor.

 ¡El Universo! ¿Sería eso lo que pasó?

Como nunca dejaremos a aprender cosas nuevas, de desvelar secretos de la Naturaleza, de seguir investigando en busca de “otras verdades”, de elaborar nuevos modelos y nuevas Teorías que nos acerquen, cada vez más a la realidad del mundo (ese es, de momento, nuestro cometido), estamos abocados a tratar de saber lo que no sabemos y que, no pocas veces, creemos que sabemos. Ya lo dijo Popper:

“Cuanto más profundizo en el saber de las cosas, más consciente soy de lo poco que sé. Mis conocimientos son limitados, mi ignorancia, es infinita“.

 

Lo que nos lleva a la versión moderna de aquel “Sólo se que no se nada” de Sócrates.

Las sustancias formadas por una sola clase de átomos se llaman elementos químicos. La palabra “átomo” procede del griego ατομος, que significa “indivisible” y el uso de la palabra “elemento” sugiere que se ha llegado a los ladrillos básicos con los que está formada la materia. De hecho, esta es la imagen que se tenía a mediados del siglo XIX cuando se acuñaron estos términos. Sin embargo, hoy sabemos que todo esto es falso, que los átomos se pueden dividir y que, de esta manera, los elementos han dejado de ser verdaderamente elementales. Los físicos continúan con esta nomenclatura aunque sea formalmente incorrecta, ya que, la costumbre, como dicen los juristas, no pocas veces rigen la jerga de las leyes.

“La revolución de la mecánica cuántica empieza a materializarse, y el qubit es el principal protagonista. Siendo la unidad mínima de información de extraño mundo, permitirá procesar toda la información existente en segundos.” El futuro que nos aguarda es inimaginable y cada día que pasa aparecen nuevos logros tecnológicos que nos sitúan en otro mundo, otra sociedad, otras nuevas formas de vivir y de comprender.

                                Sí, son los electrones los que dan al átomo su forma esférica

A todo esto y hablando de los átomos, por fuerza, nos tenemos que acordar del electrón que da al átomo su esférica. Son partículas cargadas eléctricamente que se mueven alegremente alrededor del núcleo. El electrón es muy ligero: su masa es solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el hidrógeno). La carga eléctrica del electrón es de signo opuesto a la del núcleo, de manera que los electrones están fuertemente atraídos el núcleo y se repelen mutuamente. Si la carga eléctrica total de los electrones en un átomo iguala a la del núcleo, lo que generalmente se necesitan varios electrones, se dice que el átomo está en equilibrio o que es eléctricamente neutro.

Un experimento realizado por científicos del Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuánticas ha demostrado que, en el mundo cuántico, la transición hacia el equilibrio térmico es más interesante y más complicada de lo que se pensaba.

Según destaca el , publicado en ‘Science’, entre un ordenado inicial y un estado final estadísticamente mixto, puede emerger un “cuasi-estacionario estado intermedio”. Este estado intermedio ya exhibe algunas propiedades como el equilibrio, pero parte de las características del estado inicial permanecen visibles durante un período de tiempo muy largo.

El fenómeno se denomina “pre-termalización” y desempeña un papel importante en diversos procesos de no equilibrio en la física cuántica. Podría, por ejemplo, ayudarnos a comprender el estado del universo temprano.

La fuerza a la que obedecen los electrones, la denominada fuerza electrostática o de Coulomb, es matemáticamente bastante sencilla y, sin embargo, los electrones son los responsables de las importantes propiedades de los “enlaces químicos”. Esto se debe a que las leyes de movimiento de los electrones están regidas completamente por la “mecánica cuántica”, teoría que se completó a principios del siglo XX. Es una teoría paradójica y difícil de entender y explicar, pero al mismo tiempo es muy interesante, fantástica y revolucionaria. uno se introduce en las maravillas de la mecánica cuántica es como si hiciera un viaje a un universo que está situado fuera de este mundo nuestro, ya que, las cosas que allí se ven, desdicen todo lo que dicta nuestro sentido común de cómo tiene que ser el mundo que nos rodea.

Sincronización perfecta, ¡es una sinfonía!

No solamente los electrones, sino también los núcleos atómicos y los átomos en su conjunto obedecen y se rigen por la mecánica cuántica. La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck, escribió un artículo de ocho páginas y allí propuso una posible solución a un problema que había intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensidad, por los objetos más fríos.

Estaban bien aceptados entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de la radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano, y, luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para las longitudes mayores como para las longitudes menores. Esta longitud característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

El espectro electromagnético se extiende la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de la onda y, por lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

donde h es la constante de Planck (cuyo valor es 6,626 × 10⁻³⁴ J·s). Sólo los fotones con una frecuencia alta (por encima de un valor umbral específico) podían provocar la corriente de electrones. Por ejemplo, la luz azul emitía unos fotones con una energía suficiente para arrancar los electrones del metal, mientras que la luz roja no. Una luz más intensa por encima del umbral mínimo puede arrancar más electrones, pero ninguna cantidad de luz por debajo del mismo podrá arrancar uno solo, por muy intenso que sea su brillo.

             El esquema del Efecto fotoeléctrico nos muestra como la luz arranca electrones de la placa.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una forma mucho más tajante: el sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos de los paquetes de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia, v, de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilatorias de campos de fuerza.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de De Broglie. Poco después, en 1926, Erwin Schrödinger descubrió escribir la teoría ondulatoria de Debroglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños estaban exactamente determinados por la recién descubiertas “ecuaciones de onda cuánticas”.

Pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que la mecánica cuántica (de Planck) y, la Relatividad –tanto especial general- (de Einstein), además de ser las dos teorías más importantes de la Física de nuestro tiempo, funcionan de tal forma que uno, cuando profundiza en sus predicciones y las compara con lo que ocurre en el Universo, no por menos que, asombrarse, al comprobar como unas mentes humanas han sido capaces de llegar a estos profundos pensamientos que nos acerca a la realidad de la Naturaleza, al mismo tiempo que nos aleja de nuestra propia realidad.

Sí, están ahí pero, en realidad, no sabemos, a ciencia cierta, ni cómo se formaron las galaxias

¿Qué encontraremos cuando sea posible verificar la Teoría de cuerdas? ¿Qué hay más allá de los Quarks? ¿Sabremos alguna vez lo que es una singularidad? ¿Será verdad la existencia de esa materia oscura de la que tanto se habla? ¿Podremos al fín, encontrar esa fuente de energía que tanto necesita la Humanidad para dar ese segundo paso el futuro? ¿Tendremos, acaso, algún destino que no sea el de la irremisible extinción?

¡Preguntas! Preguntas y más preguntas que no podemos contestar. Es desesperante estar inmersos en  inmenso océano de ignorancia. ¿Cuándo sabremos? El el epitafio que Hilbert ordenó esculpir en su Tumba, nos lo prometía: “Tenemos que saber, sabremos”. Si, ¿pero cuándo?

Lo cierto es que, las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de ésta teoría en vez de las de la mecánica clásica.  En estadística cuantica, los estados de energía se considera que están cuantizados.  La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier de partículas puede ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas (como dije antes) son los bosones que, tienden a juntarse.

         Los bosones tienen un angular n h / 2p, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck.  bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica.  Si solo una partícula puede ocupar un cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n+½) h/2p y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La mejor teoría explicar el mundo subatómico nació en 1928 cuando el teórico Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la relatividad especial para explicar el comportamiento del electrón. El resultado fue la mecánica cuántica relativista, que se transformó en un ingrediente primario en la teoría cuántica de campos. Con unas pocas suposiciones y ajustes, la teoría cuántica de campos ha probado ser suficientemente poderosa para formar la base del modelo estándar de las partículas y las fuerzas que rigen el universo.

La relación el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística. En un espacio de dos dimensiones es posible que existan partículas (o cuasipartículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones.  Estas partículas se conocen con el de aiones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de+1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1.  Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Debido al principio de exclusión de Pauli no es imposible que dos fermiones ocupen el mismo espacio cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). Y, precisamente por eso, se degeneran electrones y neutrones dando lugar a la formación de estrellas enanas blancas y de neutrones que, encuentran la estabilidad frenando la fuerza de gravedad.

La condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7k) se formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Este efecto (condensación Bose-Einstein), ya habréis podido suponer, es llamado así en honor al físico Satyendra Naht Bose (1.894-1.974) y de Albert Einstein.

Más reciente es la obtención del Condensado de Bose-Einstein (BEC); en este caso las bases teóricas se postularon en la década de los 20 en manos de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. El primero describe ciertas reglas para determinar si dos fotones deberían considerarse idénticos o diferentes (Estadísticas de Bose) y Einstein aplica dichas reglas a los átomos intentando averiguar como se comportarían. Así, halla los efectos de que a muy bajas temperaturas los átomos están al mismo nivel cuántico produciendo fenómenos como la superfluidez o la superconductividad.

Distribución de momentos que confirma la existencia de un estado de agregación de la materia, el condensado de Bose-Einstein. obtenidos en un gas de átomos de rubidio, la coloración indica la cantidad de átomos a cada velocidad, con el rojo indicando la menor y el blanco indicando la mayor. Las áreas blancas y celestes indican las menores velocidades. A la izquierda se observa el diagrama inmediato anterior al condensado de Bose-Einstein y al centro el inmediato posterior. A la derecha se observa el diagrama luego de cierta evaporación, con la sustancia cercana a un condensado de Bose-Einstein puro. El pico no es infinitamente angosto debido al Principio de indeterminación de Heisenberg: dado que los átomos están confinados en una región del espacio, su distribución de velocidades posee necesariamente un cierto ancho mínimo. La distribución de la izquierda es para T > Tc (sobre 400 nanokelvins (nK)), la central para T < Tc (sobre 200 nK) y la de la derecha para T << Tc (sobre 50 nK).

               El puntito blanco del centro es la enana blanca

Las estrellas enanas blancas, de neutrones y los púlsares existen, precisamente, por el principio de exclusión de Pauli que, degenera electrones y neutrones cuando las estrellas masivas, al final de su existencia, explotan como Supernovas y´su masa  se contraen sobre sí misma más y más. Si la estrella es demasiado masiva, entonces ni ese principio de exclusión puede frenar a la Gravedad y se convierte en un Agujero negro.

         Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.  Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, nos daremos de que la mecánica cu´çantica es extraña y siendo fácil comprender como forma un campo magnético la partícula cargada que gira, no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado.

        Lo cierto es que ocurre así. La prueba directa más evidente de ello es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado.  El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes a cero, aunque por alguna razón desconocida, lograr crear un campo magnético cuando gira la partícula.

emilio silvera