De Qué Está Hecha la Materia

A priori y sin darle demasiadas vueltas, todos diríamos que la materia está hecha de átomos, de hecho, la palabra átomo proviene del griego y significa indivisible. Pero ya sabemos, desde 1911, que el átomo está compuesto de un núcleo formado por bariones, que son partículas elementales conocidas comúnmente como protones y neutrones. Y que además este núcleo está rodeado de una nube de leptones comúnmente llamados electrones, y todo ello claro está, en distinta combinación dependiendo del tipo de átomo. Así que la materia visible, la materia ordinaria, está formada por una combinación de bariones y leptones.

Tanto los bariones como los leptones forman parte de una familia de partículas elementales conocida como fermiones y constituyen, aunque parezca extraño, el único tipo de materia que sobrevivió al Big Bang. Se cree que puede haber otro tipo de materia exótica con una masa de alta energía, que pudo no haber sobrevivido a los inicios del Universo.

Leptones

Los leptones son fermiones fundamentales a priori indivisibles, formados por sí mismos. Existen 6 leptones y sus correspondientes anti-leptones: Electrón (partícula) y Positrón (su antipartícula) Muón (y anti-muón) Tau (y anti-tau) y 3 neutrinos asociados a cada uno de ellos: electrón-neutrino, muón-neutrino, tau-neutrino y sus correspondientes antipartículas. (La antipartícula es la antimateria).

Bariones

Pero sin embargo, los bariones sí son divisibles ya que están formados por 3 quarks en distintas combinaciones, siendo los bariones más famosos, los núcleos de los átomos: los protones y los neutrones. A este tipo de partícula formada por 3 quarks también se la denomina Hadrón y al igual que los leptones están sujetos al Principio de Exclusión de Pauli (este principio dice que no puede haber dos fermiones con un número cuántico idéntico, o están formados por 3 quarks o por 1 leptón o por 5 hipotéticos pentaquarks o incluso más), es decir, son partículas anti-simétricas. La súper-simetría supuestamente dejó de existir a los pocos instantes del Big Bang.

Quarks

Existen 6 quarks denominados por su sabor además de sus 6 anti-quarks:

Up (arriba)

Down (abajo)

Charm (encanto)

Strange (extraño)

Top (cima)

Bottom (fondo)

Fueron nombrados así por la necesidad de llamarlos de una manera fácil de recordar y usar. Las variedades extraño, encanto, fondo y cima son muy inestables y de alta energía, y se desintegraron una fracción de segundo después del Big Bang, aunque los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos en los aceleradores de partículas como el CERN. Las variedades arriba y abajo sí se mantienen, y son junto a los leptones, los componentes básicos o ladrillos de la materia. Así pues, el núcleo de un átomo está formado por protones que a su vez están formados por 2 quarks arriba y 1 abajo y neutrones formados por 2 quarks abajo y 1 arriba. Pero además los quarks se distinguen por colores.

Debido al Principio de Exclusión de Pauli, los quarks dentro de un barión como un neutrón o un protón, deben conservar anti-simetría. Así que cada quark además de tener un sabor tiene 3 colores que coinciden con los colores fundamentales: rojo, verde y azul, y que generan otro número cuántico interno para que pueda hacerse esa combinación anti-simétrica. (Si hay dos quarks up, uno es rojo y otro verde).  Se le llama carga de color y tiene que ver con la forma en que cada trío de quarks, intercambia entre sí gluones (que son las partículas hipotéticas que los mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte). Es por eso que se suele decir que existen 18 tipos de quarks, 6 con sabor y cada uno con 3 colores. Y lo mismo para los anti-quarks.

Por debajo de quarks y leptones supuestamente hay cuerdas que vibran en múltiples dimensiones y dependiendo de cómo vibren son quarks arriba o abajo o un leptón o un gluón o un fotón…

Y después de intentar explicar de forma sencilla de qué está hecha la materia y soltaros este rollo, os dejo con la parte romántica de la ciencia ya que ante todo, la Física es Poesía Aplicada.

"En lo muy pequeño se halla la esencia de las cosas, un lugar extraño, con cierto encanto, que no es ni la cima de la culminación , ni el fondo del abismo, podría ser arriba o abajo pero es solo la esencia infinita de la materia."

Mi Reino por un Neutrino

Pocas veces la NASA hace una crítica sobre una película de Hollywood, pero hace poco no pudo resistir la tentación de calificar a “2012” como la peor película de “ciencia” ficción del pasado año. Y casi podríamos añadir, de la historia. La película bien podía haberse llamado “El ataque de los Neutrinos” o “Los Neutrinos invasores del espacio exterior” ya que son ellos, los Neutrinos, los que casi acaban con la vida en la Tierra. Pero, ¿Puede un Neutrino mover las placas tectónicas terrestres?

La respuesta es que no. Un Neutrino es una partícula subatómica sin carga, tan pequeña, que su tamaño es unas 10.000 veces más pequeño que el de un electrón. Tanto es así, que es capaz de atravesar la Tierra limpiamente, sin que apenas un puñado de los miles de millones de Neutrinos que la bombardean, llegue siquiera a rozarla, lo cual hace muy difícil que puedan mover nada y menos las placas tectónicas. Para que nos hagamos una idea, si pusiéramos una barra de acero macizo de un metro de espesor desde aquí hasta Plutón, un Neutrino podría atravesarla y salir por el otro extremo, sin llegar a interactuar con ninguna otra partícula de las que la componen.

¿Y de dónde salen los Neutrinos?

La mayor fuente de Neutrinos de la Tierra proviene del Sol, de las reacciones termonucleares de su núcleo. Y como los Neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesándolo todo, las capas externas del Sol, la Tierra, a nosotros y cuanto nos rodea. De hecho, un ser humano es atravesado por miles de millones de estas diminutas partículas por segundo sin que se entere. Convivimos con ellos de forma natural.

Otras fuentes de Neutrinos provienen de las supernovas, de hecho en las de tipo II, son los Neutrinos los responsables de que la estrella expulse buena parte de su masa al espacio. Así que la emisión de energía de una supernova en forma de Neutrinos, es enorme.

También se cree que existe un fondo de Neutrinos de baja energía en la radiación de fondo cósmico, muy parecida a la radiación de microondas proveniente del Big Bang. Hasta hace poco se pensaba que los Neutrinos no tenían masa, pero desde que se descubrió que sí la tienen, aunque ínfima, se empezó a sospechar que fueran los posibles responsables de la Materia Oscura.

Pero existe un inconveniente, su masa es tan pequeña que los Neutrinos se mueven a velocidades cercanas a la luz, lo que los convierte en “Materia Oscura Caliente”. Al encontrarse en rápido movimiento, los Neutrinos habrían tendido a expandirse uniformemente en el Universo, antes que la expansión cosmológica los enfriara lo suficiente como para concentrarse en cúmulos. Esto causaría que la parte de Materia Oscura hecha de Neutrinos se expandiera, siendo incapaz de formar las grandes estructuras galácticas que vemos.

Además, estas mismas galaxias y grupos de galaxias parecen estar rodeadas de Materia Oscura que no es lo suficientemente rápida para escapar de ellas. Presumiblemente, esta materia proveyó el núcleo gravitacional para la formación de las galaxias. Esto implica que los Neutrinos constituyen sólo una pequeña parte de la cantidad total de Materia Oscura.

Y por último tenemos otras fuentes de Neutrinos en la propia Tierra que proviene de las centrales nucleares y los colisionadores de partículas, pero es tremendamente pequeña en comparación con las anteriores.

¿Y cómo podemos detectar estas partículas tan livianas y veloces?

Pues tenemos que hacerlo bajo tierra. En la superficie terrestre abundan todo tipo de partículas y los Neutrinos pasan totalmente desapercibidos entre esa vorágine, pero las pocas partículas que consiguen atravesar la corteza terrestre, son los Neutrinos. Así que la corteza terrestre hace de cedazo o criba, y los Neutrinos quedan separados del resto de partículas penetrando en ella. Cuanto más profundo busquemos, más posibilidades tenemos de toparnos con un Neutrino despistado. De hecho, el primer intento de detector de Neutrinos se llevó a cabo en una mina de oro de Dakota del Sur a mucha profundidad. En 1967 Raymond Davis observó que el cloro-37 era capaz de absorber un neutrino para convertirse en argón-37, pero los resultados no fueron los esperados.

El siguiente paso fue crear una nueva línea de detectores que se basaban en la colisión de neutrinos con electrones contenidos en un medio acuoso. Estos detectores se basan en el hecho de que el neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una cierta velocidad, en ese mismo medio acuoso. Es en ese momento cuando se produce una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, que es captada por los fotomultiplicadores que recubren las paredes del recipiente.

En vez de agua convencional se usa agua pesada porque ésta tiene más probabilidades de capturar neutrinos. Éste es el caso del más famoso detector de neutrinos. El Super-Kamiokande, que recibe su nombre de la mina japonesa de Kamioka. Lo primero que se hizo con este enorme recipiente, de 40 metros de diámetro por 40 de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores, fue detectar los Neutrinos procedentes de la supernova 1987A.

Su mayor éxito ha sido la reciente medición de la masa del Neutrino. Fue con el experimento de la supernova con el que el laboratorio se hizo más famoso al poder determinar que la masa del Neutrino no era nula llegando a calcular su valor a partir de la medición del retraso con que llegaron los Neutrinos procedentes de la explosión. Si estos hubiesen carecido de masa hubiesen llegado al mismo tiempo que los fotones (la luz de la supernova).

Así pues, ¿Cómo podría una partícula que lo atraviesa todo limpiamente, tan pequeña y escurridiza que es prácticamente imposible de detectar, destruir la vida en la Tierra? Es todo un misterio que solo los guionistas hollywoodienses pueden desvelar. Esperemos que la próxima película de catástrofes terrestres que tanto están de moda, tenga mejores argumentos que efectos especiales.

¿Es la Gravedad una Constante?

En marzo del pasado año 2009 fue lanzado y puesto en órbita el satélite europeo Goce (Explorador de la Circulación Oceánica y la Gravedad, siglas en inglés). Empezó a enviar datos de su misión (que es ni más ni menos que cartografiar la Gravedad terrestre), el 30 de septiembre de 2009, cuando se colocó en una órbita estable a 254,9 km de altura. Y los primeros resultados no pudieron ser más espectaculares.

El mapa creado mostraba claramente variaciones en la Gravedad terrestre, ligeras, pero perceptibles. Si cogiéramos una báscula de baño y nos pesáramos en distintas zonas del planeta, pesaríamos algo más en las zonas rojas y algo menos en las azules.

Otro detalle a tener en cuenta es dónde se encuentran esas variaciones. Se pueden observar por ejemplo en la cordillera de Los Andes, en la fosa de las Marianas o en el Himalaya. Antes de Galileo Galilei se creía que un cuerpo pesado cae más deprisa que otro de menos peso. Según cuenta una leyenda, Galileo subió a la torre inclinada de Pisa y arrojó dos objetos de masa diferente para demostrar que, el tiempo de caída libre era, virtualmente, el mismo para ambos. Bendito Galileo.

Y aunque a todos nos enseñaron que la aceleración de la Gravedad terrestre es de aproximadamente 9,8 m/seg². Vamos, que si tiras algo desde un avión, la velocidad máxima que alcanzará en su caída será esa, da igual si lo que tiras es una viga de hierro o una pequeña piedra; este mapa viene a demostrar, aunque ya se sospechaba, que esa cifra varía ligeramente dependiendo de lo que haya bajo tus pies.

La Tierra, que no es una esfera sino un elipsoide -cosa que ya de por sí influye en el tirón gravitacional, puesto que los polos se encuentran más cerca del centro de la Tierra que el ecuador-, tiene cordilleras montañosas que se alternan con fosas oceánicas; y sus capas internas, que tienen regiones más densas y espesas, tampoco son homogéneas. El resultado es que se producen ligeras alteraciones en la Gravedad.

Para tomar mediciones tan exactas, el Goce está dotado de un gradiómetro muy preciso, que es sensible a las aceleraciones de aproximadamente una décima parte de la millonésima de una millonésima de g. (g = Gravedad)

Con razón cuando me voy de vacaciones a la cordillera de Sierra Nevada gano peso, no son las tapas, no. Es la Gravedad J

La Termodinámica de Nuestra Vida

No cabe duda de que la ciencia ha sufrido grandes cambios en nuestra historia. Hemos descubierto tantas cosas e intuimos tantas otras, teorizamos sobre posibilidades, damos por hecho leyes que adaptamos con el paso del tiempo, descubrimos cosas nuevas cada día que amplían nuestros conocimientos o los niegan rotundamente, en definitiva evolucionamos y todo está sujeto a dudas. Todo excepto la Termodinámica.

Termodinámica viene del griego “termo” que significa “calor” y “dinámico” que significa “fuerza” y describe cómo los sistemas macroscópicos responden a los cambios en su entorno. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor. En esencia, estudia la circulación de la energía y cómo ésta infunde movimiento a partir de la temperatura, presión y volumen e incluye una magnitud llamada Entropía, que mide el orden y el estado dinámico de los sistemas.

Desde que la descubrimos la venimos aplicando a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, e incluso a los agujeros negros. Los resultados de la termodinámica son esenciales para la química, la física y la ingeniería, en definitiva, toda nuestra tecnología se basa en sus 3 leyes.

1ª Ley de la Termodinámica:

Es el principio de conservación de la energía y se define como: La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Viéndola desde mi punto de vista de amante de la Astrofísica significa que, toda la energía que contiene el Universo siempre es la misma y simplemente se va transformando. Lo que antes formaba parte de una estrella, ahora forma parte de nosotros y de cuanto nos rodea.

2ª Ley de la Termodinámica:

Esta ley indica la dirección en la que deben darse los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen o que un vaso que cae al suelo y se rompa en mil pedazos, pueda volver a unirse lanzando de nuevo los pedazos al aire) y se define como: En un sistema aislado la entropía nunca disminuye o su valor siempre es mayor que cero -Entropía es el grado de desorden de un sistema-.

3ª Ley de la Termodinámica:

Esta ley viene a decir que si llevamos un proceso al cero absoluto (cosa imposible) su entropía sería cero. Es tanto como decir que los sistemas cuanto más fríos son, más ordenados. Un gas tiene las moléculas sueltas, chocando unas con otras. Un líquido tiene las moléculas más juntas y menos libres y un sólido –un cristal por ejemplo- tiene las moléculas tan juntas y apretadas que apenas tiene entropía.

Basándonos en estas 3 leyes hemos creado nuestra civilización tecnológica. Nuestros medios de transporte, los edificios en los que vivimos, los puentes, los ordenadores, las sondas que enviamos a otros planetas, las máquinas, las fábricas, el aire acondicionado, las reacciones químicas de nuestros fármacos, la calefacción, e incluso al cocinar nuestra comida aplicamos estas leyes.

Y cabe decir que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias.

La Naturaleza del Tiempo Relativista

En las anteriores entregas de esta serie dedicada al Tiempo, comenté la posible naturaleza de un instante y su medición hipotética del tiempo de Planck. También intenté dar forma al tiempo psicológico tal y como lo percibimos como seres humanos, pero aún hay otra naturaleza del tiempo más sorprendente si cabe, el Tiempo Relativo. Según la teoría de la Relatividad de Einstein, el tiempo es relativo y depende en gran medida del punto de referencia del observador y de su movimiento.

Relatividad Especial

La Teoría de la Relatividad Especial postula que la medida del tiempo no es absoluta, y que, dados dos observadores, el tiempo medido entre dos eventos por estos observadores, en general, no coincide, sino que la diferente medida de tiempos depende del estado de movimiento relativo entre ellos.

“Según la mecánica clásica, si Pedro viaja hacia el norte a 8 km/h encima de un tren que viaja hacia el sur a 8 km/h, a un observador en el suelo, pongamos Juan, le parecerá que Pedro está en reposo. Sin embargo, si Juan caminara a la misma velocidad en un tren que viaja hacia el norte, le parecería que está viajando a 16 km/h.

Pero según la mecánica relativista, si Pedro y Juan viajan en direcciones opuestas pero a velocidades cercanas a la luz, sus velocidades relativas no se sumarían, sino que ambas serían la velocidad de la luz ya que no se puede superar en ningún caso. Y esto ocurre precisamente porque sus tiempos son diferentes.”
Es decir, las medidas de tiempo y espacio son relativas, y no absolutas, ya que dependen del estado de movimiento del observador (es igual de correcto afirmar que el tren se desplaza respecto a la estación como que la estación se desplaza respecto al tren). Así pues, todo es relativo al observador excepto la velocidad de la luz, que siempre será la misma vista desde cualquier marco de referencia. Aunque dos observadores se muevan a una velocidad de 160.000 km/s uno respecto al otro, si ambos miden la velocidad de un mismo rayo de luz, los dos determinarán que se desplaza a 300.000 km/s.

“La teoría permitió establecer la equivalencia entre masa y energía cuya fórmula conocemos todos E=mc² (Energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado), así como una nueva definición del espacio-tiempo.”

 

Dilatación del Tiempo

Esta misma teoría también sostiene que existe un fenómeno llamado Dilatación del Tiempo. Un intervalo de tiempo medido por un observador que se mueve respecto de un reloj, es más largo que el intervalo de tiempo medido por un observador en reposo respecto del mismo reloj. Einstein afirmó que un reloj en movimiento funciona más despacio que un reloj en reposo. A partir de esto se afirma que todos los procesos físicos, químicos y biológicos se retardan respecto de un reloj estacionario, cuando dichos procesos ocurren en un marco en movimiento.

“La dilatación del tiempo ha sido comprobada numerosas veces. La rutina de trabajo en un acelerador de partículas desde los años 1950, como aquellos realizados en el CERN, es un test continuo de la dilatación del tiempo de la Relatividad Especial.”

La Paradoja de los Gemelos

La Paradoja de los Gemelos parte de la Relatividad Especial y se postula de la siguiente forma: se toma como protagonistas a dos gemelos (de ahí el nombre). El primero de ellos hace un largo viaje a una estrella en una nave espacial a una velocidad muy cercana a la de la luz, mientras que el otro gemelo se queda en la Tierra, pero cuando el gemelo de la nave regresa a la Tierra, es más joven que el gemelo terrestre.

De acuerdo con la teoría especial de la relatividad, y según su predicción de la dilatación del tiempo, el gemelo que se queda en la Tierra envejecerá más que el gemelo que viaja por el espacio a gran velocidad, porque el tiempo propio del gemelo de la nave espacial va más lento que el tiempo del que permanece en la Tierra y, por tanto, el de la Tierra envejece más rápido que su hermano.

Dilatación Gravitacional del Tiempo

La teoría de la relatividad general predice que el tiempo propio medido por un observador en reposo sobre la superficie de un planeta, es menor que el tiempo propio medido por otro observador en reposo respecto al primero pero situado a mayor altura. Es decir, el tiempo transcurre a diferentes ritmos en regiones de diferente potencial gravitatorio; cuanto mayor es la distorsión local del espacio-tiempo debido a la gravedad, más lentamente transcurre el tiempo. Esto se ha demostrado observando que los relojes atómicos a diferentes altitudes y, por lo tanto, a diferentes potenciales gravitatorios, muestran tiempos diferentes.

Si cogemos dos relojes atómicos perfectamente sincronizados (los relojes atómicos son capaces de medir mil millonésimas de segundo o sea 10^-9 segundos), y uno lo acercamos al Sol, cuyo pozo gravitacional es mucho mayor que el de la Tierra; y el otro lo dejamos en la superficie terrestre, observaremos que el reloj cercano al Sol mide el tiempo más lentamente que el de la Tierra. Si después volvemos a bajar el reloj del Sol a la superficie terrestre, ambos medirán de nuevo el tiempo al unísono, pero el que estaba en el Sol ha sufrido un retraso con respecto al de la Tierra. Así pues, en las cercanías de un Agujero Negro el tiempo se dilata y para un observador lejano, los acontecimientos ocurridos en sus inmediaciones parecerían transcurrir a cámara lenta. Y dentro del propio agujero el tiempo sería infinito.

“La dilatación gravitacional del tiempo se ha medido experimentalmente usando relojes atómicos en aviones. En 1971, J. C. Hafele y R. Keating, subieron varios relojes atómicos de cesio a bordo de aviones comerciales durante más de 40 horas y se comparó la lectura de éstos con otro idéntico en Tierra sincronizado con los primeros. Al comparar los relojes atómicos después del viaje, los de los aviones y el de la Tierra, ya no estaban sincronizados. Los relojes atómicos que habían volado estaban ligeramente retrasados. El efecto es lo bastante significativo como para que el Sistema de Posicionamiento Global (el GPS), necesite corregir periodicamente este efecto en los relojes a bordo de satélites artificiales.”

“También ha sido confirmada por el experimento de Pound y Rebka (Es un experimento de corrimiento al rojo gravitacional, que mide el corrimiento al rojo de la luz que se mueve en un campo gravitatorio). También se ha confirmado por observaciones del espectro de la enana blanca Sirio B y por experimentos con las señales de tiempo enviadas a y desde el módulo de descenso a Marte Viking 1.”

Fuentes y Referencias:

Teoría de la Relatividad Especial (Wikipedia)

Dilatación del Tiempo (Wikipedia)

Dilatación Gravitacional del Tiempo (Wikipedia)

Campo Gravitatorio (Wikipedia)

Paradoja de los Gemelos (Wikipedia)

Historia del Tiempo de Stephen Hawking, Editorial Crítica y Grijalbo Mondadori Barcelona, (1996)

Visto lo visto y dado que está probado experimentalmente, podemos deducir que el Tiempo es relativo y local y no la magnitud absoluta que le atribuimos, tan distinto para cada observador, como lo es el tiempo psicológico.