Alchemist_ dijo:

Hola taringuer@s. Bienvenidos a mi nuevo post.
Ésta es la quinta parte de la serie de preguntas y respuestas de ciencia de Asimov. A la primera parte le fue más que bien con mas de 2100 puntos, así que espero que ésta también les guste. Empezaremos desde la pregunta 51 que es en donde me quedé en el último post, y terminaré cuando Taringa ya no me deje escribir más por el excedente de caracteres.





















1- ¿Qué es el método científico?
2- ¿Quién fue, en su opinión, el científico más grande que jamás existió?
3- ¿Por qué dos o más científicos, ignorantes del trabajo de los otros, dan a menudo simultáneamente con la misma teoría?
4- ¿Qué dice el teorema de Gödel? ¿Demuestra que la verdad es inalcanzable?
5- ¿Qué diferencia hay entre los números ordinarios y los números binarios y cuáles son las ventajas de cada uno?
6- ¿Qué son los números imaginarios?
7- ¿Qué son los números primos y por qué les interesan a los matemáticos?
8- ¿Qué ocurriría si una fuerza irresistible se enfrentase con un cuerpo inamovible?
9- ¿Cuántas partículas hay en el universo?
10- ¿De dónde vino la sustancia del universo? ¿Qué hay más allá del borde del universo?
11- ¿Por qué se habla de la "baja temperatura del espacio"? ¿Cómo puede tener el espacio vacío una temperatura?
12- ¿Qué es el polvo cósmico y de dónde viene?
13- ¿Qué son los pulsares?
14- Se dice que un centímetro cúbico de una estrella de neutrones pesa miles de millones de toneladas. ¿Cómo es posible?
15- ¿Qué es un agujero negro?
16- ¿Qué temperatura puede alcanzar una estrella?
17- ¿Hasta dónde puede llegar el proceso de fusión dentro de una estrella?
18- ¿Qué ocurre con toda la energía emitida por las estrellas?
19- ¿Qué es el viento solar?
20- ¿Hasta cuándo podrá mantener el Sol la vida en la Tierra?
21- Si la temperatura de la superficie solar es tan alta que está al blanco, ¿por qué las manchas solares son negras? Para ser negras tendrían que ser frías, y ¿cómo puede haber algo frío en el Sol?
22- ¿Por qué todos los planetas ocupan aproximadamente el mismo plano orbital?
23- ¿En qué difiere Plutón de todos los demás planetas?
24- ¿Por qué los cometas tienen una cola?
25- ¿Por qué la Luna muestra siempre la misma cara hacia la Tierra?
26- ¿Qué son esas concentraciones de masa que se han descubierto en la Luna?
27- Ahora que ya hemos alunizado seis veces en nuestro satélite, ¿qué hemos averiguado acerca de él?
28- ¿Hay vida en Marte?
29- Supongamos que hay vida en Marte. ¿Merece realmente la pena ir hasta allí sólo para verla?
30- ¿Cómo y cuándo se formaron los océanos?
31- Los océanos ¿se están haciendo más salados? ¿Se harán algún día tan salados que maten toda la vida?
32- ¿Hay de verdad oro en el océano?
33- ¿Qué ocurriría si se derritieran los casquetes glaciares?
34- ¿De dónde vino el aire que respiramos?
35- ¿Qué es el efecto "invernadero"?
36- ¿Qué ocurre con las sondas planetarias después de pasar por un planeta? ¿A dónde van a parar?
37- ¿Cuál será el fin de la Tierra?
38- ¿Qué es un físico teórico y qué tipo de trabajo hace?
39- El tiempo, ¿es una ilusión o existe realmente? ¿Cómo habría que describirlo??
40- ¿Cuál es la unidad de tiempo más pequeña posible??
41- ¿Qué es la cuarta dimensión?
42- ¿Qué quiere decir que el espacio está curvado?
43- En muchas novelas de ciencia ficción se leen cosas sobre "campos de fuerza" e "hiper-espacio". ¿Qué son? ¿Existen realmente?
44- ¿Qué es la antigravedad? ¿Cómo puede estudiarse?
45- ¿Cuál es la velocidad de la gravitación?
46- ¿Qué es la teoría del campo unificado?
47- ¿Qué es, en pocas palabras, la teoría de la relatividad de Einstein?
48- ¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz? (Parte 1)
49- ¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz? (Parte 2)
50- Las partículas que se mueven más deprisa que la luz emiten radiación luminosa. ¿Cómo es posible, si no hay nada que se propague más deprisa que la luz?








51- Si no hay nada más rápido que la luz, ¿qué son los taquiones, que al parecer se mueven más deprisa que ella?

La teoría especial de la relatividad de Einstein dice que es imposible hacer que ningún objeto de nuestro universo se mueva a una velocidad mayor que la de la luz en el vacío. Haría falta una cantidad infinita de energía para comunicarle una velocidad igual a la de luz, y la cantidad “plus quam infinita” necesaria para pasar de ese punto sería impensable.

Pero supongamos que un objeto estuviese moviéndose ya más deprisa que la luz.

La luz se propaga a 299.793 kilómetros por segundo. Pero, ¿qué ocurriría si un objeto de un kilogramo de peso y de un centímetro de longitud se estuviera moviendo a 423.971 kilómetros por segundo? Utilizando las ecuaciones de Einstein comprobamos que el objeto tendría entonces una masa de - kilogramos y una longitud de + centímetros.

O dicho con otras palabras: cualquier objeto que se mueva más deprisa que la luz tendría que tener una masa y una longitud expresadas en lo que los matemáticos llaman “números imaginarios” (véase pregunta 6). Y como no conocemos ninguna manera de visualizar masas ni longitudes expresadas en números imaginarios, lo inmediato es suponer que tales cosas, al ser impensables, no existen.



Pero en el año 1967, Gerald Feinberg, de la Universidad Columbia, se preguntó si era justo proceder así. (Feinberg no fue el primero que sugirió la partícula; el mérito es de O. M. Bilaniuk y E. C. G. Sudarshan. Pero fue Feinberg quien divulgó la idea.) Pudiera ser, se dijo, que una masa y una longitud “imaginarias” fuesen simplemente un modo de describir un objeto con gravedad negativa (pongamos por caso): un objeto que, dentro de nuestro universo, repele a la materia en lugar de atraerla gravitatoriamente.

Feinberg llamó “taquiones” a estas partículas más rápidas que la luz y de masa y longitud imaginarias; la palabra viene de otra que en griego significa “rápido”. Si concedemos la existencia de estos taquiones, ¿podrán cumplir los requisitos de las ecuaciones de Einstein?

Aparentemente, sí. No hay inconveniente alguno en imaginar un universo entero de taquiones que se muevan más deprisa que la luz pero que sigan cumpliendo los requisitos de la relatividad. Sin embargo, en lo que toca a la energía y a la velocidad, la situación es opuesta a lo que estamos acostumbrados.

En nuestro universo, el “universo lento”, un cuerpo inmóvil tiene energía nula; a medida que adquiere energía va moviéndose cada vez más deprisa, y cuando la energía se hace infinita el cuerpo va a la velocidad de la luz. En el “universo rápido”, un taquión de energía nula se mueve a velocidad infinita, y cuanta más energía adquiere más despacio va; cuando la energía se hace infinita, la velocidad se reduce a la de la luz.

En nuestro universo lento ningún cuerpo puede moverse más deprisa que la luz bajo ninguna circunstancia. En el universo rápido, un taquión no puede moverse más despacio que la luz en ninguna circunstancia. La velocidad de la luz es la frontera entre ambos universos y no puede ser cruzada.

Pero los taquiones ¿realmente existen? Nada nos impide decidir que es posible que exista un universo rápido que no viole la teoría de Einstein, pero el que sea posible no quiere decir que sea.

Una posible manera de detectar el universo rápido se basa en la consideración que un taquión, al atravesar un vacío con velocidad superior a la de la luz, tiene que dejar tras sí un rastro de luz potencialmente detectable. Naturalmente, la mayoría de los taquiones irían muy, muy deprisa, millones de veces más deprisa que la luz (igual que los objetos corrientes se mueven muy despacio, a una millonésima de la velocidad de la luz).



Los taquiones ordinarios y sus relámpagos de luz pasarían a nuestro lado mucho antes que nos pudiésemos percatar de su presencia. Tan sólo aquellos pocos de energía muy alta pasarían con velocidades próximas a la de la luz. Y aún así, recorrerían un kilómetro en algo así como 1/300.000 de segundo, de modo que detectarlos exigiría una operación harto delicada.



52- Los taquiones de energía cero se mueven con velocidad infinita. ¿Es de verdad posible una velocidad infinita?

La idea de una partícula que se mueve a velocidad infinita tiene sus paradojas. Iría de A a B en un tiempo nulo, lo cual significa que estaría en A y B al mismo tiempo, y también en todos los lugares intermedios. Y seguiría hasta los puntos C, D, E, etc., a través de una distancia infinita, todo ello en un tiempo nulo. Una partícula que se moviera a velocidad infinita tendría por tanto las propiedades de una barra sólida de longitud infinita.



Si el espacio es curvo, como sugiere la teoría de la relatividad de Einstein, esa barra sólida sería en realidad un gran círculo, o espiral, o una curva sinuosa de forma aún más complicada.

Pero supongamos que hay un universo de taquiones, es decir de partículas que poseen todas ellas una velocidad mayor que la de la luz. A medida que van adquiriendo más y más energía, se mueven cada vez más lentamente, hasta que, al llegar a una energía infinita, su velocidad se reduce a la de la luz. Al perder energía, van cada vez más deprisa, yendo a velocidad infinita cuando la energía es nula.

Es de imaginar que en un universo así habría partículas de muy distintas energías. Unas muy energéticas, otras muy poco y otras intermedias (como ocurre con las partículas de nuestro universo).

La transferencia de energía de una partícula a otra en ese universo (igual que en el nuestro) tendría que ser a través de una interacción, como puede ser, por ejemplo, un choque. Si la partícula A, de poca energía, choca con la partícula B, de alta energía, lo más probable es que A gane energía a expensas de B, con lo cual habría una tendencia general a la formación de partículas de energía intermedia.



Claro está que habría excepciones. Al interaccionar dos partículas de igual energía, puede que una gane energía a expensas de la otra, ampliando así la gama. Incluso es posible (aunque improbable) que una partícula de alta energía gane aún más al chocar con otra de baja energía, dejando a ésta con menos energía que al comienzo.

Teniendo en cuenta la naturaleza fortuita de tales colisiones y de la transferencia de energía, se llega a la conclusión que habrá toda una gama de energías y que la mayoría de las partículas serán de energía intermedia; habrá algunas de alta (o baja) energía; pocas de muy alta (o muy baja) energía; un número pequeñísimo de muy, muy alta (o muy, muy baja) energía; y sólo trazas de energía muy, muy, muy alta (o muy, muy, muy baja).

Esta distribución de energías a lo largo de una determinada gama podríamos expresarla matemáticamente, y entonces veríamos que ninguna de las partículas tendría en realidad una energía infinita o una energía nula; habría partículas que se acercarían mucho a estos valores, pero sin alcanzarlos nunca. Algunos taquiones se moverían a veces a una velocidad ligeramente superior a la de la luz, pero sin llegar a ella; y habría otros que quizá se moverían a velocidades verdaderamente gigantescas, un millón (o un billón o un trillón) de veces más deprisa que la luz, pero nunca a velocidades realmente infinitas.



Supongamos que dos taquiones de la misma categoría chocan exactamente de frente. ¿No se anularían entonces las energías cinéticas de ambas partículas, abandonando éstas el lugar de la colisión a velocidad infinita? He aquí de nuevo una situación a la que nos podemos aproximar cuanto queramos, pero sin llegar nunca a ella. La probabilidad que los dos taquiones tengan exactamente la misma energía y choquen exactamente de frente es despreciable.

Dicho con otras palabras, en el universo de taquiones las velocidades podrían acercarse al infinito pero nunca alcanzarlo; y en ese caso no hay que preocuparse por las paradojas que el infinito siempre parece plantear.



53- ¿Qué es el principio de incertidumbre de Heisenberg?



Antes de explicar la cuestión de la incertidumbre, empecemos por preguntar: ¿qué es la certidumbre? Cuando uno sabe algo de fijo y exactamente acerca de un objeto, tiene certidumbre sobre ese dato, sea cual fuere.

¿Y cómo llega uno a saber una cosa? De un modo o de otro, no hay más remedio que interaccionar con el objeto. Hay que pesarlo para averiguar su peso, golpearlo para ver cómo es de duro, o quizá simplemente mirarlo para ver dónde está. Pero grande o pequeña, tiene que haber interacción.



Pues bien, esta interacción introduce siempre algún cambio en la propiedad que estamos tratando de determinar. O digámoslo así: el aprender algo modifica ese algo por el mismo hecho de aprenderlo, de modo que, a fin de cuentas, no lo hemos aprendido exactamente.

Supongamos, por ejemplo, que queremos medir la temperatura del agua caliente de un baño. Metemos un termómetro y medimos la temperatura del agua. Pero el termómetro está frío, y su presencia en el agua la enfría una chispa. Lo que obtenemos sigue siendo una buena aproximación de la temperatura, pero no exactamente hasta la billonésima de grado. El termómetro ha modificado de manera casi imperceptible la temperatura que estaba midiendo.

O supongamos que queremos medir la presión de un neumático. Para ello utilizamos una especie de barrita que es empujada hacia afuera por una cierta cantidad del aire que antes estaba en el neumático. Pero el hecho que se escape este poco de aire significa que la presión ha disminuido un poco por el mismo acto de medirla.

¿Es posible inventar aparatos de medida tan diminutos, sensibles e indirectos que no introduzcan ningún cambio en la propiedad medida?

El físico alemán Werner Heisenberg llegó, en 1927, a la conclusión que no. La pequeñez de un dispositivo de medida tiene un límite. Podría ser tan pequeño como una partícula subatómica, pero no más. Podría utilizar tan sólo un cuanto de energía, pero no menos. Una sola partícula y un solo cuanto de energía son suficientes para introducir ciertos cambios. Y aunque nos limitemos a mirar una cosa para verla, la percibimos gracias a los fotones de luz que rebotan en el objeto, y eso introduce ya un cambio.

Tales cambios son harto diminutos, y en la vida corriente de hecho los ignoramos; pero los cambios siguen estando ahí. E imaginemos lo que ocurre cuando los objetos que estarnos manejando son diminutos y cualquier cambio, por diminuto que sea, adquiere su importancia.

Si lo que queremos, por ejemplo, es determinar la posición de un electrón, tendríamos que hacer rebotar un cuanto de luz en él, o mejor un fotón de rayos gamma, para “verlo”. Y ese fotón, al chocar, desplazaría por completo al electrón.

Heisenberg logró demostrar que es imposible idear ningún método para determinar exacta y simultáneamente la posición y el momento de un objeto. Cuanto mayor es la precisión con que determinamos la posición, menor es la del momento, y viceversa. Heisenberg calculó la magnitud de esa inexactitud o “incertidumbre” de dichas propiedades, y ese es su “principio de incertidumbre”.



El principio implica una cierta “granulación” del universo. Si ampliamos una fotografía de un periódico, llega un momento en que lo único que vemos son pequeños granos o puntos y perdemos todo detalle. Lo mismo ocurre si miramos el universo demasiado cerca.

Hay quienes se sienten decepcionados por esta circunstancia y lo toman como una confesión de eterna ignorancia. Ni mucho menos. Lo que nos interesa saber es cómo funciona el universo, y el principio de incertidumbre es un factor clave de su funcionamiento. La granulación está ahí, y eso es todo. Heisenberg nos lo ha mostrado y los físicos se lo agradecen.

Werner Karl Heisenberg (Wurzburg, Alemania, 5 de diciembre de 1901 - Munich, 1 de febrero de 1976). Físico alemán.

Inclinado desde joven por las matemáticas, y en menor medida por la física, intenta en 1920 empezar un doctorado en matemática pura, pero Ferdinand von Lindemann lo rechaza como alumno porque está próximo a jubilarse. Le recomienda hacer sus estudios de doctorado con el físico Arnold Sommerfeld como supervisor, quien lo acepta de buen grado. Tiene como compañero de estudios a Wolfgang Pauli.

Durante su primer año toma esencialmente cursos de matemática con la idea de pasarse a trabajar en teoría de números apenas tenga la oportunidad, pero de a poco empieza a interesarse por la física teórica. Intenta trabajar en la Teoría de la Relatividad de Einstein y Pauli le aconseja que se dedique a la Teoría Atómica en la que todavía había gran discrepancia entre teoría y experimento.



Obtiene su doctorado en 1923 y en seguida viaja a Gotinga, donde trabaja como asistente de Max Born. En 1924 viaja a Copenhague y conoce a Niels Bohr. En 1925, Heisenberg inventa la mecánica cuántica matricial. Lo que subyace en su aproximación al tema es un gran pragmatismo. En vez de concentrarse en la evolución de los sistemas físicos de principio a fin, concentra sus esfuerzos en obtener información sabiendo el estado inicial y final del sistema, sin preocuparse demasiado por conocer en forma precisa lo ocurrido en el medio. Concibe la idea de agrupar la información en forma de cuadros de doble entrada. Fue Max Born quien se dio cuenta de que esa forma de trabajar ya había sido estudiada por los matemáticos y no era otra cosa que la teoría de matrices. Uno de los resultados más llamativos es que la multiplicación de matrices no es conmutativa, por lo que toda asociación de cantidades físicas con matrices tendrá que reflejar este hecho matemático. Esto lleva a Heisenberg a enunciar el Principio de Indeterminación. La teoría cuántica tiene un éxito enorme y logra explicar prácticamente todo el mundo microscópico. En 1932, poco antes de cumplir los 31 años, recibe el premio Nóbel de Física por "La creación de la mecánica cuántica, cuyo uso ha conducido, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno"'.



En 1935 intenta reemplazar a Sommerfeld que se jubila como profesor en Munich, pero los nazis quieren eliminar toda teoría física "judaizante", y en esa categoría entran la mecánica cuántica y la relatividad, cuyos referentes, Max Born y Albert Einstein son judíos, de manera que se impide su nombramiento.

A pesar de esto, en 1938, Heisenberg acepta dirigir el intento nazi por obtener un arma atómica. Durante muchos años subsistió la duda acerca de si este proyecto fracasó por impericia de parte de sus integrantes o porque Heisenberg y sus colaboradores se dieron cuenta de lo que Hitler podría haber hecho con una bomba atómica. Solamente muchos años después, en 1995, se supo que los cálculos alemanes estaban equivocados y que siempre tuvieron la intención de construir la bomba.



54- ¿Qué es la paridad?

Supongamos que damos a cada partícula subatómica una de dos etiquetas, la A o la B. Supongamos además que siempre que una partícula A se desintegra en otras dos partículas, éstas son o ambas A o ambas B. Cabría entonces escribir A = A + A o A = B + B. Al desintegrarse una partícula B en otras dos, una de ellas sería siempre A y la otra B, de modo que podríamos escribir B = A + B.



Quizá descubriríamos también otras situaciones. Al chocar dos partículas y desintegrarse en otras tres, podríamos encontrar que A + A = A + B + B, o que A + B = B + B + B.

Pero habría situaciones que nunca observaríamos. No encontraríamos, por ejemplo, que A + B = A + A, ni que A + B + A = B + A + B.

¿Qué significa todo esto? Pues bien, imaginemos que A representa un número entero par (2 ó 4 ó 6) y B cualquier entero impar, como 3, 5 ó 7. La suma de dos enteros pares siempre es un entero par (6 = 2 + 4), de modo que A = A + A. La suma de dos enteros impares siempre es par (8 = 3 + 5), de modo que A = B + B. Sin embargo, la suma de un entero par y otro impar es siempre impar (7 = 3 + 4), de modo que B = A + B.

Dicho con otras palabras, hay ciertas partículas subatómicas que cabría llamar "impares" y otras que cabría llamar "pares", porque, sólo forman aquellas combinaciones y desintegraciones que se cumplen en el caso de sumar enteros pares e impares.

Cuando dos enteros son ambos pares o ambos impares, los matemáticos dicen que "tienen la misma paridad". Si uno de ellos es par y el otro impar, son de "paridad diferente". Por consiguiente, cuando las partículas subatómicas se comportan como si algunas de ellas fuesen pares y otras impares, sin quebrantar nunca las reglas de adición de números pares e impares, se considera que hay "conservación de la paridad".



En 1927, el físico Eugene Wigner demostró que había conservación de la paridad entre las partículas subatómicas, porque podía decirse que dichas partículas poseían una "simetría izquierda-derecha". Los objetos que poseen tal simetría son idénticos a sus imágenes especulares (la imagen reflejada en un espejo). Los numerales 8 y 0 y las letras H y X tienen esa simetría. Si volvemos el 8, el 0, la H o la X de manera que lo que estaba antes a la izquierda esté ahora a la derecha y viceversa, lo que obtendríamos seguiría siendo 8, 0, H y X. Las letras b y p no tienen esa simetría izquierda-derecha. Si les damos la vuelta, la b se convierte en d y la p en q, letras completamente distintas.

En 1956, los físicos Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang demostraron que la paridad no se debería conservar en ciertos tipos de sucesos subatómicos, y los experimentos demostraron en seguida que estaban en lo cierto. Según esto, había partículas subatómicas que se comportaban como si no fuesen simétricas bajo ciertas condiciones.

Por esta razón se elaboró una ley de conservación más general. Allí donde una partícula no era simétrica, su antipartícula (de carga eléctrica o campo magnético opuesto) tampoco lo era, pero de manera contraria. Si una partícula era como p, su antipartícula era como q.

Juntando la carga eléctrica (C) y la paridad (P), se puede establecer una regla elemental que nos dice qué sucesos subatómicos pueden tener lugar y cuáles no. Esto es lo que se denomina la "conservación CP".

Más tarde se vio que para que la regla estuviese a salvo de todo riesgo había que considerar también la dirección del tiempo (T); pues hay que señalar que los sucesos subatómicos cabe contemplarlos como si se desarrollaran para adelante o para atrás en el tiempo. Esto es lo que se denomina "conservación CPT".



Hace poco se ha puesto también en tela de juicio la conservación CPT pero hasta ahora no se ha llegado a una decisión final.



55- ¿Por qué se habla de la vida media de un isótopo y no de su vida entera?

Hay átomos que son inestables. Abandonados a su suerte, tarde o temprano experimentan espontáneamente un cambio. De su núcleo saldrá una partícula energética o un fotón de rayos gamma y el átomo se convertirá en otro diferente. (Los isótopos son tipos particulares de átomos.) Una serie de átomos inestables agrupados en un lugar radiarán partículas o rayos gamma en todas direcciones, por lo cual se dice que son radiactivos.



No hay ningún modo de predecir cuándo un átomo radiactivo va a experimentar un cambio. Puede que sea al cabo de un segundo o de un año o de billones de años. Por tanto, es imposible medir la "vida entera" de un átomo radiactivo, es decir el tiempo que permanecerá inalterado. La "vida entera" puede tener cualquier valor, y por consiguiente no tiene sentido hablar de ella.

Pero supongamos que lo que tenemos es una multitud de átomos de un determinado isótopo radiactivo concentrados en un lugar. En cualquier momento dado habrá algunos que estén experimentando un cambio. En esas condiciones se comprueba que aunque es imposible saber cuándo va a cambiar un átomo concreto, sí que se puede predecir que al cabo de tantos segundos cambiarán tantos y tantos átomos de un total de un cuatrillón, pongamos por caso.

Todo es cuestión de estadística. Es imposible saber si Fulanito de tal va a morir o no en un accidente de coche en tal y tal año, pero sí se puede predecir con bastante precisión cuántos habitantes del país van a morir en carretera ese año.



Dado un número grande de átomos de un isótopo determinado, es posible medir la cantidad de radiación en un momento dado y predecir la radiación (el número de átomos que cambian) en cualquier tiempo futuro. Y se comprueba que, en virtud de cómo se producen esos cambios, siempre hace falta el mismo tiempo para que cambien 1/10 de todos los átomos, independientemente de cuántos hubiese al principio. Es más, siempre hace falta el mismo tiempo para que cambien 2/10 de ellos, ó 4/17, ó 19/573, o cualquier otra fracción, independientemente del número inicial de átomos.

Así pues, en lugar de hablar de la "vida entera" de los átomos de un isótopo particular, que carecería de sentido, se suele hablar del tiempo que tarda en cambiar una fracción determinada de los átomos, lo cual es muy fácil de medir. La fracción más simple es 1/2, y por eso se suele hablar del tiempo que tiene que pasar para que la mitad de los átomos de un isótopo experimenten un cambio. Esa es la "vida media" del isótopo.

Cuanto más estable es un isótopo, menos probable es que sus átomos experimenten un cambio y que un número dado de átomos experimenten un cambio al cabo de una hora, por ejemplo, después de iniciar las observaciones. Esto significa que hace falta más tiempo para que la mitad de los átomos cambien.



Con otras palabras: cuanto más larga es la vida media de un isótopo, tanto más estable; cuanto más corta la vida media, menos estable.

Algunas vidas medias son verdaderamente grandes. El isótopo torio-232 tiene una vida media de catorce mil millones de años. Haría falta todo ese tiempo para que la mitad de cualquier cantidad de torio-232 se desintegrara. Por eso queda todavía tanto torio-232 en la corteza terrestre, pese a que lleva allí (desintegrándose continuamente) casi cinco mil millones de años.



Pero también hay vidas medias que son muy cortas. La del isótopo helio-5 es aproximadamente igual a una cienmillonésima parte de una billonésima de segundo.



56- ¿Por qué están encontrando los científicos tantas partículas subatómicas nuevas y cuál es su significado?

La clave de la respuesta puede resumirse en una sola frase: "más energía".



Y los físicos estudian la estructura interna del núcleo atómico de una manera muy bruta. Lo bombardean con todas sus fuerzas con partículas subatómicas, destrozan el núcleo en fragmentos y estudian luego los trozos.

Lo que ha cambiado en los últimos treinta años ha sido la energía con que esos "proyectiles" subatómicos irrumpen en el núcleo atómico. En los años treinta tenían energías de millones de electronvoltios; en los cuarenta, de cientos de millones; en los cincuenta, de miles de millones; en los sesenta, de docenas de miles de millones. Y a lo que se ve, en la presente década llegaremos a cientos de miles de millones de electronvoltios

Cuanto mayor es la energía con que se irrumpe en el núcleo, mayor es el número de partículas que salen y mayor es también su inestabilidad. Y sería lógico pensar que a medida que crece la fuerza del impacto, menores deberían ser las partículas resultantes. (Al fin y al cabo, un golpe fuerte parte una roca en dos mitades, pero uno más fuerte aún la dividirá en una docena de trozos pequeños.) En el caso de los núcleos no es así. Las partículas que se obtienen suelen ser bastante pesadas.



Y es que no hay que olvidar que la energía se puede convertir en masa. Las partículas subatómicas que aparecen en un proceso de ruptura de un núcleo no salen de allí como si hubiesen estado alojadas en él desde el principio. Se forman en el momento del impacto a partir de la energía de las partículas que intervienen en el choque. Cuanto mayor es la energía de la partícula entrante, mayor es la masa que podrá tener la partícula formada y mayor será también, por lo general, su inestabilidad.

En cierto modo cabría decir que las partículas subatómicas salen del núcleo destrozado de la misma manera que las chispas salen del acero al golpearlo con un pedernal. Las chispas no estaban desde el principio en el acero, sino que se forman a partir de la energía del golpe.

Pero entonces, ¿tienen algún significado todas estas partículas subatómicas nuevas? ¿No serán meros productos fortuitos de la energía, como las chispas?

Los físicos piensan que no, porque el orden que impera entre ellas es muy grande. Las partículas formadas tienen ciertas propiedades que obedecen determinadas reglas, bastante complicadas. Es decir, las diversas partículas pueden ser representadas mediante números, que a su vez son identificados por nombres como los de "spin isotópico", "rareza", "paridad", etc., y la naturaleza de dichos números viene dictada por limitaciones muy rígidas.

Detrás de estas limitaciones tiene que haber algo, indudablemente.

El físico americano Murray Gell-Mann ha ideado un sistema de ordenar las distintas partículas subatómicas de acuerdo con dichos números en una progresión regular, y gracias a ello ha logrado predecir partículas nuevas, hasta ahora desconocidas. En concreto predijo la existencia de una partícula omega negativa que poseía propiedades bastante improbables; pero después de investigar se comprobó que efectivamente existía y que poseía además dichas propiedades.



Gell-Mann sugiere también que los cientos de partículas que hoy se conocen quedarían ordenadas de modo muy natural de la manera que él ha demostrado, sólo con que estuviesen compuestas de unos cuantos tipos de partículas más elementales llamadas "quarks". Los físicos buscan hoy día con ahínco esos quarks. De encontrarlos, podrían ofrecernos una visión completamente nueva, y quizá muy útil, de la naturaleza fundamental de la materia.

Murray Gell-Mann (1929-) es un físico estadounidense. Estudió en la Universidad de Yale y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Profesor desde 1955 en la Universidad de California (Pasadena), donde desempeñó desde 1967 la cátedra de Física Teórica, fue miembro de la NASA desde 1964.

Se le otorgó el Premio Nóbel de Física en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. La teoría de Gell-Mann aportó orden al caos al descubrir cerca de 100 partículas en el interior del núcleo atómico. Esas partículas, además de los protones y neutrones, estaban formadas por otras partículas elementales llamadas quarks. Estos quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de gluones. Junto con otros investigadores construyó la teoría cuántica de quarks y gluones, llamada cromodinámica cuántica.



Además de la ciencia, al profesor Gell-Mann le interesan otros campos como la literatura, la historia natural, la lingüística histórica, arqueología, historia, psicología,... así como aprender y pensar.

Murray Gell-Mann es el autor de The Quark and the jaguar, Adventures in the simplex and the complex, un ensayo de divulgación científica con carácter autobiográfico



57- ¿Qué es un quark?



La noción de los quarks tuvo su origen en el hecho que en el último cuarto de siglo se han descubierto un centenar corrido de diferentes tipos de partículas subatómicas. Hay que decir que muy pocas de ellas viven más de una milmillonésima de segundo antes de desintegrarse, pero el mero hecho de su existencia basta para que los físicos anden de cabeza.

¿Por qué hay tantas y todas ellas diferentes? ¿No podrán agruparse en varias familias? Dentro de cada familia, las distintas partículas podrían diferir unas de otras de un modo perfectamente regular. Y entonces no sería necesario explicar la existencia de todas y cada una de las partículas, sino sólo de unas cuantas familias, poniendo así un poco de orden en lo que de otro modo parece una "jungla" subatómica.

El físico americano Murray Gell-Mann y el físico israelita Yuval Ne'emen idearon en 1961, cada uno por su lado, un sistema de organizar las partículas en tales familias. Gell-Mann llegó incluso a presentar una familia que incluía la partícula que él llamó omega negativa, que poseía propiedades muy raras y que jamás había sido observada. Sabiendo qué propiedades debía tener, los físicos sabían también dónde y cómo buscarla. En 1964 la encontraron, descubriendo que era exactamente como Gell-Mann la había descrito.



Estudiando sus familias, Gell-Mann pensó que las distintas partículas subatómicas quizá podrían estar constituidas por combinaciones de unas cuantas partículas aún más elementales, lo cual simplificaría mucho la visión del universo. Según él, postulando tres partículas subatómicas con determinadas propiedades sería posible disponerlas de diferentes modos y obtener así todas las partículas subatómicas conocidas.

La necesidad de combinar tres de estas hipotéticas partículas para construir todas las partículas conocidas le recordó a Gell-Mann un pasaje de la obra Finnegans Wake de James Joyce (libro en que el autor retuerce y distorsiona palabras con fines literarios) que dice: "Three quarks for Musther Mark."

Y así fue como Gell-Mann llamó "quarks" a esas partículas hipotéticas.

Lo curioso del caso es que los quarks tendrían que tener cargas eléctricas fraccionarias. Todas las cargas conocidas son iguales o a la de un electrón (- 1), o a la de un protón (+ 1) o a un múltiplo exacto de estas dos. La carga del quark p, sin embargo, sería + 2/3, y las del quark n y quark lambda - 1/3, Un protón, por ejemplo, estaría constituido por un quark n y dos quarks p, un neutrón por dos quarks n y un quark p, etc.

Pero el quark ¿existe realmente o es pura ficción matemática?

Para aclarar la pregunta, consideremos un billete de un dólar. Un billete de un dólar podemos considerarlo igual a diez monedas de diez centavos, pero ¿se trata sólo de una ecuación matemática o es realmente posible que al romper el billete en diez trozos comprobemos que cada uno de éstos es una moneda metálica de diez centavos?



Desde que Gell-Mann propuso la existencia de los quarks, los físicos han intentado localizar indicios de su presencia, pero en vano. En 1969, ciertos informes de Australia hablaron que entre la lluvia de partículas producida por choques de rayos cósmicos se habían detectado rastros de partículas con carga eléctrica fraccionaria. Pero las pruebas eran sumamente marginales, y la mayoría de los físicos se mostraron muy escépticos hacía el informe.



58- Se ha dicho que los protones están constituidos por combinaciones de tres quarks p y también que un quark es treinta veces más pesado que un protón. ¿Cómo pueden ser ciertas ambas cosas a la vez?

Ambos enunciados pueden ser ciertos. Por lo menos, no tienen por qué ser contradictorios. La clave de esta aparente contradicción está en que la masa es un aspecto de la energía.



Se puede decir que cualquier objeto posee energía cinética respecto a algún sistema de referencia apropiado. La energía cinética es igual a la mitad del producto de la masa del objeto por el cuadrado de su velocidad.

Cuando aumenta su energía aumentan también la masa y la velocidad (la segunda principalmente a bajas energías, y la primera sobre todo a energías muy altas).

Señalemos a continuación que cuantos más pequeños son los objetos y más íntimamente unidos están, más fuertes son (por lo general) las fuerzas que los mantienen unidos. Los cuerpos de tamaño verdaderamente grande, como el Sol o la Tierra, mantienen su integridad gracias al campo gravitatorio, que es con mucho la fuerza más débil de las que se conocen.



Los átomos y las moléculas se mantienen unidos por el campo electromagnético, que es mucho más fuerte. Gracias a él mantienen firmemente algunas moléculas su estructura; más firmemente aún los átomos de una molécula; y todavía más, los electrones y núcleos dentro de un átomo.

Las partículas dentro de un núcleo atómico se mantienen juntas gracias a un campo nuclear que es unas cien veces más intenso que el campo electromagnético y de hecho la fuerza más intensa que se conoce. (Por eso son mucho más violentas las explosiones nucleares que las químicas.)

Si los protones (y neutrones) que se encuentran dentro del núcleo están compuestos a su vez por partículas aún más fundamentales, los quarks, las ligaduras que mantienen unidos a los quarks tendrán que ser mucho más fuertes que las que sujetan a los protones y neutrones. Y en ese sentido puede ser que exista un nuevo campo, mucho más intenso que los que hasta ahora se conocen.

Para romper un protón o un neutrón y descomponerlo en quarks hará falta invertir energías enormes, mucho mayores que las que hacen falta para romper el conglomerado de protones y neutrones que forman el núcleo atómico.

Al desintegrarse el protón o el neutrón, los quarks que aparecen recogen la energía previamente invertida. Parte de ella se manifestaría en la forma de velocidades muy grandes, y otra parte en la forma de una gran masa. En resumen, gracias al empleo de enormes energías, el quark, que dentro del protón sólo tenía un tercio de la masa del protón, se convierte en una partícula mucho más masiva que él.



Los quarks en libertad tendrían una tendencia muy grande a volverse a unir, debido a la insólita intensidad del campo, que les hace experimentar esa atracción mutua. La reunificación liberaría grandes cantidades de energía, y la pérdida de ésta se traduciría en una pérdida de masa. La masa de los quarks se reduciría entonces lo suficiente como para hacer que la combinación de tres de ellos no tuviera una masa mayor que la de un protón.

Hoy día los físicos no disponen de la energía necesaria para dividir las partículas subatómicas en quarks, por lo cual no es fácil comprobar si la hipótesis es buena o no. Pero hay algunas partículas de los rayos cósmicos que sí tienen tales energías, y en la actualidad se están buscando los quarks en las lluvias de partículas que aquéllas producen al chocar con átomos.



59- En la bomba atómica se convierte materia en energía. ¿Es posible hacer lo contrario y convertir energía en materia?

Sí que es posible convertir energía en materia, pero hacerlo en grandes cantidades resulta poco práctico. Veamos por qué.



Según la teoría especial de la relatividad de Einstein, tenemos que

e = mc2

donde e representa la energía, medida en ergios, m representa la masa en gramos y c es la velocidad de la luz en centímetros por segundo.

La luz se propaga en el vacío a una velocidad muy próxima a los 30.000 millones (3 × 10^10) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c × c, es decir, 3 × 10^10×3 × 10^10 ó 9 × 10^20
. Por tanto, c2 es igual a 900.000.000.000.000.000.000.
Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría en 9 x 10^20 ergios de energía

El ergio es una unidad muy pequeña de energía. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia, convertido a energía, daría 2,2 ( 1010 (22.000 millones) de kilocalorías. Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.

O expresémoslo de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.



O bien: la energía que representa un solo gramo de materia equivale a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina.

Nada tiene de extraño, por tanto, que las bombas nucleares, donde se convierten en energía cantidades apreciables de materia, desaten tanta destrucción.



La conversión opera en ambos sentidos. La materia se puede convertir en energía, y la energía en materia. Esto último puede hacerse en cualquier momento en el laboratorio. Una partícula muy energética, un fotón de rayos gamma, puede convertirse en un electrón y un positrón sin grandes dificultades. Con ello se invierte el proceso, convirtiéndose energía en materia.

Ahora bien la materia formada se reduce a dos partículas ligerísimas, de masa casi despreciable. ¿Podrá utilizarse el mismo principio para formar una cantidad mayor de materia, lo suficiente para que resulte visible?

¡Ah! Pero la aritmética es implacable. Si un gramo de materia puede convertirse en una cantidad de energía igual a la que produce la combustión de 32 millones de litros de gasolina, entonces hará falta toda esa energía para fabricar un solo gramo de materia.

Aun cuando alguien estuviese dispuesto a hacer el experimento y correr con el gasto de reunir toda esa energía (y quizás varias veces más, a fin de cubrir pérdidas inevitables) para formar un gramo de materia, no lo conseguiría. Sería imposible producir y concentrar toda esa energía en un volumen suficientemente pequeño para producir de golpe un gramo de materia.



Así pues, la conversión es posible en teoría, pero completamente inviable en la práctica. En cuanto a la materia del universo, se supone, desde luego, que se produjo a partir de energía, pero en unas condiciones que sería imposible reproducir hoy día en el laboratorio.




60- Las antipartículas ¿producen antienergía?

A principios del siglo XX los físicos empezaron a comprender que toda la materia consistía en determinadas clases de partículas. El físico inglés Paul Dirac , que trabajaba en la teoría de esas partículas, llegó en 1930 a la conclusión que cada clase tenía que tener su opuesta.



El electrón, por ejemplo, tiene una carga eléctrica negativa y el protón una carga eléctrica positiva exactamente igual, pero las dos partículas no son opuestas, porque la masa del protón es mucho mayor que la del electrón.

Según Dirac, tenía que haber una partícula con la misma masa que el electrón pero con carga eléctrica positiva, y otra con la misma masa que el protón pero con carga eléctrica negativa. Ambas fueron descubiertas en su día, de modo que hoy conocemos el "antielectrón" (o "positrón" ) y el "antiprotón".

El neutrón no tiene carga eléctrica, pero en cambio posee un campo magnético que apunta en una determinada dirección. Y existe el "antineutrón", que tampoco tiene carga eléctrica pero cuyo campo magnético apunta en la dirección opuesta.



Pues bien, lo siguiente es al parecer una ley de la naturaleza: una partícula puede convertirse en otra, pero siempre que se forma una partícula sin la existencia previa de otra, tiene que formarse simultáneamente una antipartícula.

He aquí un ejemplo. Un neutrón puede convertirse en un protón, lo cual es perfectamente admisible, porque lo único que ha sucedido es que una partícula se ha convertido en otra. Pero en esa conversión se forma también un electrón. Es decir, una partícula se ha convertido en dos. Para contrarrestar esa segunda partícula se forma una diminuta antipartícula llamada "antineutrino".

Una partícula (el neutrón) se ha convertido en otra (el protón) más un par partícula / antipartícula (el electrón y el antineutrino).

A partir de energía se pueden formar pares partícula / antipartícula, que a su vez pueden volver a convertirse en energía en cualquier número. De energía no podemos sacar una partícula sola, ni una única antipartícula, pero sí un par.

Como la propia energía está formada de "fotones", se plantea entonces el problema de si el fotón es una partícula o una antipartícula. No parece que haya ningún modo de convertir un fotón en un electrón, por lo cual no puede ser una partícula; ni tampoco de convertirlo en un antielectrón, por lo cual tampoco puede ser una antipartícula.

Sin embargo, un fotón de rayos gamma suficientemente energético sí puede convertirse en un par electrón / antielectrón. Parece, pues, que el fotón no es ni una partícula ni una antipartícula, sino un par partícula / antipartícula.

Todo fotón es a la vez un antifotón, o digámoslo así, un fotón es su propio opuesto.



También podríamos mirarlo del siguiente modo. Doblemos una hoja de papel por la mitad y escribamos los nombres de todas las partículas en un lado y los de las antipartículas en el otro. ¿Dónde pondríamos al fotón? Pues justo en el doblez.

Por eso la energía producida por un mundo de partículas consiste en fotones, igual que la producida por un mundo de antipartículas. La energía es la misma en ambos casos y, por lo que sabemos hoy día, no hay nada que podamos llamar antienergía.



Bueno Taringuer@s, espero que les haya gustado el post. Taringa ya no me deja excederme mas de caracteres en éste post, asi que tendré que postear las preguntas en varias partes. No se olviden de seguirme!!
Muchas gracias por sus visitas!

En la próxima entrega veremos:

61.- ¿En qué difieren las propiedades de los rayos cósmicos de las de los neutrinos?
62.- ¿Qué peligro encierran los rayos cósmicos para los hombres en el espacio?
63.- Los neutrinos ¿son materia o energía?
64.- ¿Cómo funciona una cámara de burbujas?
65.- ¿Qué es un reactor generador?
66.- ¿Cuánto y durante cuánto tiempo hay que calentar el hidrógeno para mantener una reacción de fusión?
67.- ¿Cómo funciona un microscopio electrónico?
68.- ¿Qué es la entropía?
69.- ¿Está degradándose el universo?

Y +








@Alchemist_