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Física. El universo todo energía.

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Física. El universo todo energía.


El Plasma en el Espacio interestelar.

Sí, hemos tenido la suerte de venir a caer a un planeta de agua y rocas, y, aunque el plasma se deja ver, lo hace tímidamente, no causa temor. Se sabe que el 99 % de la materia visible en el Universo se encuentra en estado de plasma. Solo nosotros tenemos suerte viviendo en nuestra Tierra, la cual pertenece a ese uno por ciento de otros estados de la materia. Pero incluso en nuestra Tierra encontramos plasma: en los canales de los rayos, en la ionósfera, en las auroras o brillos polares y en la magnetosfera de la Tierra. En el sistema solar el plasma se encuentra en el viento solar, en la magnetósfera de los planetas y cometas. Alrededor de Júpiter y Saturno tenemos incluso plasma que forma toroides gigantescos de plasma. El mismo Sol y el resto de las estrellas son gigantescas bolas de plasma y tales fenómenos como son las manchas solares, espículas, erupciones de la cromosfera y protuberancias pertenecen a las manifestaciones plasmáticas típicas. No solo las estrellas, sino que una buena parte de las nebulosas en las galaxias esta compuesta de plasma.


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Acaso el más sublime espectáculo de la Tierra sea contemplar las auroras que se forman en los Polos debido a la interacción del plasma solar y las partículas de aire; este espectáculo, al menos en magnitud, palidece con las auroras de Júpiter.

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En las nebulosas de nueva cuenta observamos manifestaciones plasmáticas: filamentación producida por los campos eléctricos y magnéticos, aceleración de partículas a una marcada energía y radiación luminosa (en distintas longitudes de onda) resultado de distintos mecanismos. En la cercanía del centro de nuestra galaxia se han observado extensos filamentos de plasma, con longitudes de alrededor de 250 años luz, perpendiculares al plano de nuestra galaxia. En el resto de las galaxias se encuentran formaciones similares, sean estas las que se siguen hasta los núcleos de las galaxias activas (AGN – Active Galactic Nuclei).

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Pequeña Nube de Magallanes.



Galaxias cercanas están unidas por puentes de plasma conductores de corriente eléctrica (por ejemplo nuestra Via Láctea con las Nubes Magallánicas). Las expulsiones de materia y energía características de los cuasares y los núcleos activos de galaxias son de nuevo formaciones de plasma y la estructura de radio de fondo, que con frecuencia se observa en estos objetos, tiene su origen en las propiedades del plasma. Las simulaciones numéricas de los últimos años muestran que probablemente los fenómenos del plasma deberían tener un rol dominante en la formación de estrellas a partir de la creación de la nube protoestelar, posibilitando la creación de los glóbulos primarios sin tener que cumplimentar el criterio de Jeans en cuanto al tamaño mínimo de la nebulosa e incluso sin una onda “iniciadora” de choque de alguna supernova cercana. De la misma manera las simulaciones numéricas muestran, que los brazos espirales de las galaxias pueden ser resultado de la interacción electromagnética y campos magnéticos globales y de ninguna manera son solo manifestaciones gravitacionales. Actualmente es seguro también que las partículas naturalmente más energéticas, las cuales son observadas en la radiación cósmica de fondo, fueron aceleradas en filamentos espaciales de plasma con doble capa eléctrica (fotones remanentes de la gran explosión, también conocidos como Radiación Cósmica de fondo en Microondas o CMBR por sus siglas en inglés). El Universo no es solamente interacción gravitacional, tal y como habíamos pensado hasta hace poco tiempo. En la formación del Universo contribuyen en la misma medida la interacción electromagnética y sus diversas manifestaciones. Con la introducción de los estudios de rayos X hemos llegado literalmente a un ataque de la física del plasma al estudio de nuestro Universo.

El Plasma puede ser producido en distintos medios y regiones del Universo, incluso aquí en la Tierra aparece de vez en cuando cuando las condiciones así lo hace posible. Para el humano, el ejemplo que quizá sea más conocido sobre plasma, es el canal conductor de los rayos o relámpagos. Los parámetros típicos del rayo son:

Diámetro del canal conductor ~ 5 cm

Longitud del canal ~ 3 km

Corriente ~ 200 kA

Temperatura ~ 30 000 K

Duración ~ 10−4 s

Velocidad de movimiento ~ 0,1 c (o sea 30 000 km·s−1)

Energía ~ 6×108 J

Área de condensación de carga ~ 3 000 km3

En otros planetas nos encontramos con rayos incluso más grandes: en Venus los rayos tienen una energía total de 2×1010 J y en Júpiter hasta 3×1012 J. Los filamentos de plasma están en los remanentes de supernovas y en otras muchas Nebulosas además de en todas las estrellas del firmamento galáctico del Universo.


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Claro que, también encontramos plasma en otros lugares del Universo y, como en el caso de arriba, forman parte de un conjunto que no podemos explicar…del todo. El capricho de la Naturaleza ha “construido” este original y simétrico conjunto que hace las delicias de los astrónomos que tratan de averiguar los mecanismos ahí presentes para conformar ese cuadro.

Lo dicho…¡Lo que no esté en el Universo!


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Es ampliamente sabido que el planeta Tierra actúa como un gran imán cuyas líneas de campo geomagnético surgen de un polo (el polo sur magnético) y convergen en el otro polo (polo norte magnético). El eje longitudinal de este imán tiene una desviación de aproximadamente 11^o con respecto al eje de rotación. Por ello, los polos del campo magnético generado no coinciden exactamente con los polos geográficos.

Este campo geomagnético es producido por la combinación de varios campos generados por diversas fuentes, pero en un 90% es generado por la parte exterior del núcleo de la Tierra (llamado Campo Principal o “Main Field”).

Por otra parte, la interacción de la ionosfera con el viento solar y las corrientes que fluyen por la corteza terrestre componen la mayor parte del 10% restante. Sin embargo, durante las tormentas solares (eventos de actividad solar exacerbada) pueden introducirse importantes variaciones en el campo magnético terrestre.


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

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

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


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

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


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La interacción gravitatoria actúa exclusivamente sobre la masa de una partícula.

La gravedad es de largo alcance y llega a los más lejanos confines del universo conocido.

Es tan débil que, probablemente, nunca podremos detectar esta fuerza de atracción gravitatoria entre dos partículas elementales. La única razón por la que podemos medirla es debido a que es colectiva: todas las partículas (de la Tierra) atraen a todas las partículas (de nuestro cuerpo) en la misma dirección.

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

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

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


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

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


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

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


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

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Una de las fuentes productoras de rayos cósmicos es el Sol


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


Emilio Silvera, el Viernes, 27 de julio de 2012.

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6 comentarios - Física. El universo todo energía.

@VicePtJunior
A favoritos porque ahora no puedo leerlo
@nico_tombino
gracias, me encanta esto, tus diez !





+10
@Qsesho
Buena Ingo!!! Gracias por compartir...