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Algo de ciencia

Es un post básico sobre aprendizajes a la hora de estudiar sobre la ciencia, si no sos muy experimentado en el tema quizá algunas de las respuestas a las preguntas que formulo y respondo no las entiendas, traté de hacer lo posible para que no sea así pero no soy profesor asique quedo mas o menos así, me costo mucho hacer el post pero como dice el título lo disfruté muchisimo porque la ciencia es el combustible de mi vida, así como lo es el fútbol para los jugadores profesionales, la música a los cantantes, etc. Lamentablemente muy poca gente me lee, pero alguien en su computadora estoy seguro que me leerá y que le gustará si le interesa minimamente el tema, generalmente estos temas son atrapantes pero muy pocas veces profundizan a la hora de explicar, este post no es la excepción, bueno, paro de relatar cosas sin interés y comienzo con la primera pregunta...


¿Qué es un agujero negro?

Para entender lo que es un agujero negro empecemos por una estrella como el Sol. El Sol tiene un diámetro de 1.390.000 kilómetros y una masa 330.000 veces superior a la de la Tierra. Teniendo en cuenta esa masa y la distancia de la superficie al centro se demuestra que cualquier objeto colocado sobre la superficie del Sol estaría sometido a una atracción gravitatoria 28 veces superior a la gravedad terrestre en la superficie.

Una estrella corriente conserva su tamaño normal gracias al equilibrio entre una altísima temperatura central, que tiende a expandir la sustancia estelar, y la gigantesca atracción gravitatoria, que tiende a contraerla y estrujarla.

Si en un momento dado la temperatura interna desciende, la gravitación se hará dueña de la situación. La estrella comienza a contraerse y a lo largo de ese proceso la estructura atómica del interior se desintegra. En lugar de átomos habrá ahora electrones, protones y neutrones sueltos. La estrella sigue contrayéndose hasta el momento en que la repulsión mutua de los electrones contrarresta cualquier contracción ulterior.

La estrella es ahora una "enana blanca". . Si una estrella como el Sol sufriera este colapso que conduce al estado de enana blanca, toda su masa quedaría reducida a una esfera de unos 16.000 kilómetros de diámetro, y su gravedad superficial (con la misma masa pero a una distancia mucho menor del centro) sería 210.000 veces superior a la de la Tierra.

En determinadas condiciones la atracción gravitatoria se hace demasiado fuerte para ser contrarrestada por la repulsión electrónica. La estrella se contrae de nuevo, obligando a los electrones y protones a combinarse para formar neutrones y forzando también a estos últimos a apelotonarse en estrecho contacto. La estructura neutrónica contrarresta entonces cualquier ulterior contracción y lo que tenemos es una "estrella de neutrones", que podría albergar toda la masa de nuestro sol en una esfera de sólo 16 kilómetros de diámetro. La gravedad superficial sería 210.000.000.000 veces superior a la de la Tierra.

En ciertas condiciones, la gravitación puede superar incluso la resistencia de la estructura neutrónica. En ese caso ya no hay nada que pueda oponerse al colapso. La estrella puede contraerse hasta un volumen cero y la gravedad superficial aumentar hacia el infinito.

Según la teoría de la relatividad, la luz emitida por una estrella pierde algo de su energía al avanzar contra el campo gravitatorio de la estrella. Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es la pérdida de energía, lo cual ha sido comprobado experimentalmente en el espacio y en el laboratorio.

La luz emitida por una estrella ordinaria como el Sol pierde muy poca energía. La emitida por una enana blanca, algo más; y la emitida por una estrella de neutrones aún más. A lo largo del proceso de colapso de la estrella de neutrones llega un momento en que la luz que emana de la superficie pierde toda su energía y no puede escapar.

Un objeto sometido a una compresión mayor que la de las estrellas de neutrones tendría un campo gravitatorio tan intenso, que cualquier cosa que se aproximara a él quedaría atrapada y no podría volver a salir. Es como si el objeto atrapado hubiera caído en un agujero infinitamente hondo y no cesase nunca de caer. Y como ni siquiera la luz puede escapar, el objeto comprimido será negro. Literalmente, un "agujero negro".

Hoy día los astrónomos están buscando pruebas de la existencia de agujeros negros en distintos lugares del universo.

El tiempo, ¿es una ilusión o existe realmente? ¿Cómo habría que describirlo?

El tiempo, para empezar, es un asunto psicológico; es una sensación de duración. Uno come, y en un rato vuelve a tener hambre. Es de día, y en un rato se hace de noche.

La cuestión de qué es esta sensación de duración, de qué es lo que hace que uno sea consciente que algo ocurre "en un rato", forma parte del problema del mecanismo de la mente en general, problema que aún no está resuelto.

Tarde o temprano, todos nos damos cuenta que esa sensación de duración varía con las circunstancias. Una jornada de trabajo parece mucho más larga que un día con la persona amada; y una hora en una cena aburrida, mucho más larga que una hora juegandoa al truco con amigos. Lo cual podría significar que lo que llamamos un "día" o una "hora" es más largo unas veces que otras. Pero cuidado con la trampa. Un período que a uno le parece corto quizá sea largo para otro, y ni desmesuradamente corto ni largo a un tercero.

Para que este sentido de la duración resulte útil a un grupo de gente es preciso encontrar un método para medir su longitud que sea universal y no personal. Si un grupo acuerda reunirse "dentro de seis semanas exactamente", sería absurdo dejar que cada cual se presentara en el lugar de la cita cuando, en algún rincón de su interior, sienta que han pasado, seis semanas. Mejor será que se pongan todos de acuerdo en contar cuarenta y dos períodos de luz-oscuridad y presentarse entonces, sin hacer caso de lo que diga el sentido de la duración.

En el momento que elegimos un fenómeno físico objetivo como medio para sustituir el sentido innato de la duración por un sistema de contar, tenemos algo a lo que podemos llamar "tiempo". En ese sentido, no debemos intentar definir el tiempo como esto o aquello, sino sólo como un sistema de medida.

Las primeras medidas del tiempo estaban basadas en fenómenos astronómicos periódicos: la repetición del mediodía (el Sol en la posición más alta) marcaba el día; la repetición de la Luna nueva marcaba el mes; la repetición del equinoccio vernal (el Sol de mediodía sobre el ecuador después de la estación fría) marcaba el año. Dividiendo el día en unidades iguales obtenemos las horas, los minutos y los segundos.

Estas unidades menores de tiempo no podían medirse con exactitud sin utilizar un movimiento periódico más rápido que la repetición del mediodía. El uso de la oscilación regular de un péndulo o de un diapasón introdujo en el siglo XVII los modernos relojes. Fue entonces cuando la medida del tiempo empezó a adquirir una precisión aceptable. Hoy día se utilizan las vibraciones de los átomos para una precisión aún mayor.

Pero ¿quién nos asegura que estos fenómenos periódicos son realmente "regulares"? ¿No serán tan poco de fiar como nuestro sentido de la duración?

Puede que sí, pero es que hay varios métodos independientes de medir el tiempo y los podemos comparar entre sí. Si alguno o varios de ellos son completamente irregulares, dicha comparación lo pondrá de manifiesto. Y aunque todos ellos sean irregulares, es sumamente improbable que lo sean de la misma forma. Si, por el contrario, todos los métodos de medir el tiempo coinciden con gran aproximación, como de hecho ocurre, la única conclusión que cabe es que los distintos fenómenos periódicos que usamos son todos ellos esencialmente regulares. (Aunque no perfectamente regulares. La longitud del día, por ejemplo, varía ligeramente.)

Las medidas físicas miden el "tiempo físico". Hay organismos, entre ellos. El hombre, que tienen métodos de engranarse en fenómenos periódicos (como despertarse y dormirse) aun sin referencia a cambios exteriores (como el día y la noche). Pero este "tiempo biológico" no es, ni con mucho tan regular como el tiempo físico.

Y también está el sentido de duración o "tiempo psicológico". Aun teniendo un reloj delante de las narices, una jornada de trabajo sigue pareciéndonos más larga que un día con la persona que amás.






¿Cuántas partículas hay en el universo?

Pregunta muy compleja, pero responder "nose" no sería una respuesta interesante, entónces voy a pasarles a explicar bien todo.

En realidad no hay una respuesta concreta a esta pregunta, porque de entrada no sabemos cómo es de grande el universo. Sin embargo hagamos algunas hipótesis.

Uno de los cálculos es que hay unas 100.000.000.000 (ó 10^11 , un 1 seguido de 11 ceros) de galaxias en el universo. Cada una de estas galaxias tiene por término medio una masa 100.000.000.000 (ó 10^11 ) mayor que la del Sol.

Quiere decirse que la cantidad total de materia en el universo es igual a 10^11 x 10^11 ó 10^22 veces la masa del Sol. Dicho con otras palabras, en el universo hay materia suficiente para hacer 10.000.000.000.000.000.000.000 (diez mil trillones) de soles como el nuestro.

La masa del Sol es de 2 x 10^33 gramos. Esto significa que la cantidad total de materia en el universo tiene una masa de 10^22 x 2 x 10^33 gramos. Lo cual puede escribirse como 20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Dicho con palabras, veinte nonillones.

Procedamos ahora desde el otro extremo. La masa del universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene. (Los nucleones son las partículas que constituyen los componentes principales del núcleo atómico.) Los nucleones son cosas diminutas y hacen falta 6 x 10^23 de ellos para juntar una masa de 1 gramo.

Entónces, ¿qué pasa ahora compañeros taringueros?, si 6 x 10^23 nucleones hacen 1 gramo y si hay 2 x 10^55 gramos en el universo, entonces el número total de nucleones en el universo es 6 x 10^23 x 2 x 10^55 ó 12 x 10^78 , que de manera más convencional se escribiría 1,2 x 10^79 .

Los astrónomos opinan que el noventa por ciento de los átomos del universo son hidrógeno, el 9 por ciento es helio y el uno por ciento son elementos más complicados. Una muestra típica de 100 átomos consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 átomos de helio y 1 átomo de oxígeno (por ejemplo). Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón. Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones y 2 neutrones. El núcleo del átomo de oxígeno contendría 16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones.

Los cien átomos juntos contendrían, por tanto, 142 nucleones: 116 protones y 26 neutrones

Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe. Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva y como el universo es, según se cree, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con una carga eléctrica negativa) por cada protón.

Entónces les comunico que, por cada 142 nucleones hay 116 electrones (para compensar los 116 protones). Para mantener la proporción, los 1,2 x 10^79 nucleones del universo tienen que ir acompañados de 1 x 10^79 electrones. Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2,2 x 10 79 partículas de materia en el universo. Lo cual se puede escribir como 22.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.- 000.000.000.000.000.000.000.000 (ó 22 tredecillones).

Si el universo es mitad materia y mitad antimateria, entonces la mitad de esas partículas son antinucleones y antielectrones. Pero esto no afectaría al número total.

De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones. Pero como son partículas sin masa no las voy a contar. Veintidós tredecíllones es después de todo suficiente y constituye un universo apreciable.


¿Qué ocurriría si una fuerza irresistible se enfrentase con un cuerpo inamovible?

Acá nos encontramos con un rompecabezas clásico sobre el que han debido hablar millones y millones de argumentos. Me va a ser complicado explicarles pero voy a tratar de ser lo más explícito posible.

Pero antes de dar mi solución pongamos algunas cosas en claro. El juego de explorar el universo mediante técnicas racionales hay que jugarlo, como todos los juegos, de acuerdo con ciertas reglas. Si dos personas quieren conversar inteligentemente tienen que ponerse de acuerdo acerca del significado de los símbolos que utilizan (palabras o cualesquiera otros) y sus comentarios tendrán sentido en función de ese significado.

Todas las preguntas que no tengan sentido en función de las definiciones convenidas se las echa fuera de casa. No hay respuesta porque la pregunta no debió ser formulada.

Supongamos por ejemplo que pregunto: “¿Cuánto pesa la justicia?” (Quizá esté pensando en la estatua de la justicia con la balanza en la mano).

Pero el peso es una propiedad de la masa, y sólo tienen masa las cosas materiales. (De hecho, la definición más simple de materia es “aquello que tiene masa”.)

La justicia no es una cosa material, sino una abstracción. Por definición, la masa no es una de sus propiedades, y preguntar por el peso de la justicia es formular una pregunta sin sentido. No existe respuesta.

Por otro lado, mediante una serie de manipulaciones algebraicas muy simples es posible demostrar que 1 = 2. Lo malo es que en el curso de la demostración hay que dividir por cero. Con el fin de evitar una igualdad tan inconveniente (por no hablar de otras muchas demostraciones que destruirían la utilidad de las matemáticas), los matemáticos han decidido excluir la división por cero en cualquier operación matemática. Hasta ahí vamos bien, ahora, la pregunta “¿cuánto vale la fracción 2/0?” viola las reglas del juego y carece de sentido. No necesita respuesta.

Ahora ya estamos listos para vérnoslas con esa fuerza irresistible y ese cuerpo inamovible.

Una “fuerza irresistible” es, por definición (si queremos que las palabras tengan significado), una fuerza que no puede ser resistida; una fuerza que moverá o destruirá cualquier cuerpo que encuentre, por grande que sea, sin debilitarse ni desviarse perceptiblemente. En un universo que contiene una fuerza irresistible no puede haber ningún cuerpo inamovible, porque acabamos de definir esa fuerza irresistible como una fuerza capaz de mover cualquier cosa.

Un “cuerpo inamovible” es, por definición (si queremos que las palabras tengan algún significado), un cuerpo que no puede ser movido; un cuerpo que absorberá cualquier fuerza que encuentre, por muy grande que sea, sin cambiar ni sufrir daños perceptibles en el encuentro. En un universo que contiene un cuerpo inamovible no puede haber ninguna fuerza irresistible porque acabamos de definir ese cuerpo inamovible como un cuerpo capaz de resistir cualquier fuerza.

Si formulamos una pregunta que implique la existencia simultánea de una fuerza irresistible y de un cuerpo inamovible, estamos violando las definiciones implicadas por las frases mismas. Las reglas del juego de la razón no lo permiten. Entónces, la pregunta “¿Qué ocurriría si una fuerza irresistible se enfrentase con un cuerpo inamovible?” carece de sentido y no necesita respuesta.

El lector taringuero quizá se pregunte si es posible construir las definiciones de modo que no quepa formular preguntas incontestables. La respuesta es que no.

¿Qué diferencia hay entre los números ordinarios y los números binarios y cuáles son las ventajas de cada uno?


Los números ordinarios que utilizamos normalmente están escritos “en base 10”. Es decir, están escritos como potencias de diez. Lo que escribimos como 7.291 es en realidad


7 x 10^3 + 2 x 10^2 + 9 x 10^1 + 1 x 10^0 .


Acordemosnos que 10^3 = 10 x 10 x 10 = 1.000; que 10^2 =10 x 10 = 100; que 10^1 = 10, y que 10^0 = 1.

Por tanto, 7.291 es 7 x 1.000 más 2 x 100 más 9 x 10 más 1, que es lo que decimos cuando leemos el número en voz alta: “siete mil doscientos noventa (nueve decenas) y uno”.

Estamos ya tan familiarizados con el uso de las potencias de diez que sólo escribimos las cifras por las que van multiplicadas (7.291 en este caso) e ignoramos el resto.

Pero las potencias de diez no tienen nada de especial. Igual servirían las potencias de cualquier otro número mayor que uno. Supongan, por ejemplo, que queremos escribir el número 7.291 en potencias de ocho.

Recordemos que

8^0 = 1;

8^1 =8;

8^2 = 8 x 8 =64

8^3 = 8 x 8 x 8 = 512

8^4 = 8 x 8 x 8 x 8 = 4.096


El número 7.291 se podría escribir entonces como:


1 x 8^4 + 6 x 8^3 + 1 x 8^2 + 7 x 8^1 + 3 x 8^0


(El lector taringuero lo puede comprobar haciendo los cálculos pertinentes.) Si escribimos sólo las cifras tenemos 16.173. Podemos decir entonces que


16.173 (en base 8) = 7.291 (en base 10).


La ventaja del sistema en base 8 es que sólo hay que recordar siete dígitos aparte del 0. Si intentásemos utilizar el dígito 8, llegaríamos a obtener alguna vez 8 x 83, que es igual a 1 x 84, con lo cual siempre podemos utilizar un 1 en lugar de un 8. Así, 8 (en base 10) = 10 (en base 8); 89 (en base 10) = 131 (en base 8); etc. Por otro lado, los números tienen más dígitos en el sistema de base 8 que en el de base 10.

Cuanto más pequeña es la base, tantos menos dígitos diferentes se manejan, pero tantos más entran en la composición de los números.

Si utilizamos el sistema de base 20, el número 7.291 se convierte en


18 x 20^2 + 4 x 20^1 + 11 x 20^0


Si escribimos el 18 como # y el 11 como %, podemos decir que # 4 % (en base 20) = 7.291 (en base 10). En un sistema de base 20 tendríamos que tener 19 dígitos diferentes, pero a cambio tendríamos menos dígitos por número.

El 10 es una base conveniente. No exige recordar demasiados dígitos diferentes y tampoco da demasiados dígitos en un número dado.

¿Y los números basados en potencias de dos, es decir los números en base 2? Esos son los “números binarios”, de la palabra latina que significa “dos de cada vez”.

El número 7.291 es igual a


1 x 2^12 + 1 x 2^11 + 1 x 2^10 + 0 x 2^9 + 0 x 2^8 + 0 x 2^7 + 1 x 2^6 + 1 x 2^5 + 1 x 2^4 + 1 x 2^3 + 0 x 2^2 + 1 x 2^1 + 1 x 2^0


(El lector taringueto puede comprobarlo, recordando que 29, por ejemplo, es 2 multiplicado por sí mismo nueve veces: 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 512.) Si nos limitamos a escribir los dígitos tenemos


1110001111011 (en base 2) = 7.291 (en base 10).


Los números binarios contienen sólo unos y ceros, de modo que la adición y la multiplicación son fantásticamente simples. Sin embargo, hay tantos dígitos en números incluso pequeños, como el 7.291, que es muy fácil que la mente humana se confunda.

Las computadoras, por su parte, pueden utilizar conmutadores de dos posiciones. En una dirección, cuando pasa la corriente, puede simbolizar un 1; en la otra dirección, cuando no pasa corriente, un 0.

Disponiendo los circuitos de manera que los conmutadores se abran y cierren de acuerdo con las reglas binarias de la adición y de la multiplicación, la computadora puede realizar cálculos aritméticos a gran velocidad. Y puede hacerlo mucho más rápido que si tuviese que trabajar con ruedas dentadas marcadas del 0 al 9 como en las calculadoras de mesa ordinarias basadas en el sistema de base 10 o decimal. Me imagino que varios sabian sobre los 0 y los 1 de sus pc pero no tenías idea de como funcionaban, ¿no?



¿Cómo empezó la vida?

Una respuesta clara y rotunda no la hay, porque cuando empezó la vida no había nadie ahí que sirva de testigo. Pero se pueden hacer análisis lógicos del problema.

Los astrónomos han llegado a ciertas conclusiones acerca de la composición general del universo. Han encontrado, por ejemplo, que un 90% de él es hidrógeno y un 9% helio. El otro 1% está constituido principalmente por oxígeno, nitrógeno, neón, argón, carbono, azufre, silicio y hierro ( no concuerdo al 100% con ésto, pero es una visión personal asique no está aprobada, si algún día se llega a saber que yo tengo razón lo van a ver en las noticias).

Partiendo de ahí y sabiendo de qué manera es probable que se combinen tales elementos, es lógico concluir que la Tierra tenía al principio una atmósfera muy rica en ciertos compuestos de hidrógeno: vapor de agua, amoníaco, metano, sulfuro de hidrógeno, cianuro de hidrógeno, etc. Y también había un océano de agua líquida con gases atmosféricos disueltos en ella.

Para que se inicie la vida en un mundo como éste es preciso que las moléculas elementales que existían, al principio se combinaran entre sí para formar moléculas complejas. En general, la construcción de moléculas complicadas de muchos átomos a base de moléculas elementales de pocos átomos requiere un aporte de energía. La luz del Sol (sobre todo su contenido ultravioleta), al incidir sobre el océano, podía suministrar la energía necesaria para obligar a las moléculas pequeñas a formar otras mayores.

Pero ¿cuáles eran esas moléculas mayores?

El químico americano Stanley L. Miller decidió en 1952 averiguarlo (busquen en internet el experimento de Miller para mayor información). Preparó una mezcla de sustancias parecida a la que, según se cree, existió en la primitiva atmósfera terrestre, y se cercioró que era completamente estéril. Luego la expuso durante varias semanas a una descarga eléctrica que servía como fuente de energía. Al final comprobó que la mezcla contenía moléculas algo más complicadas que aquéllas con las que había comenzado. Todas ellas eran moléculas del tipo que se encuentran en los tejidos vivos y entre ellas había algunos de los aminoácidos que son los bloques fundamentales de unos importantes compuestos: las proteínas.

Desde 1952 ha habido muchos investigadores, de diversos países, que han repetido el experimento, añadiendo detalles y refinamientos. Han construido diversas moléculas por métodos muy distintos y las han utilizado luego como punto de partida de otras construcciones.

Se ha comprobado que las sustancias así formadas apuntan directamente hacia las complejas sustancias de la vida: las proteínas y los ácidos nucleicos. No se ha hallado ninguna sustancia que difiera radicalmente de las que son características de los tejidos vivos.

Aún no se ha conseguido nada que ni por un máximo esfuerzo de imaginación pudiera llamarse viviente, pero hay que tener en cuenta que los científicos están trabajando con unos cuantos decilitros de líquido, durante unas cuantas semanas cada vez. En los orígenes de la Tierra, lo que estaba expuesto al Sol era un océano entero de líquido durante miles de millones de años.

Bajo el azote de la luz solar, las moléculas del océano fueron haciéndose cada vez más complejas, hasta que en último término surgió una que era capaz de inducir la organización de moléculas elementales en otra molécula igual que ella. Con ello comenzó y continuó la vida, evolucionando gradualmente hasta el presente. Las formas primitivas de "vida" tuvieron que ser mucho menos complejas que las formas más simples de vida en la actualidad, pero de todos modos ya eran bastante complejas. Hoy día los científicos tratan de averiguar cómo se formó esa singular molécula que acabo de mencionar.

Parece bastante seguro que la vida se desarrolló, no como un milagro, sino debido a la combinación de moléculas según una trayectoria de mínima resistencia. Dadas las condiciones de la Tierra primitiva, la vida se formó, igual que el hierro se oxida en el aire húmedo. Cualquier otro planeta que se parezca física y químicamente a la Tierra desarrollaría inevitablemente vida, aunque no necesariamente inteligente.


¿Por qué se dilata el agua al congelarse?

Primero cabria preguntar: ¿por qué son sólidos los sólidos? ¿Y por qué son líquidos los líquidos?

Entre las moléculas de una sustancia sólida hay una cierta atracción que las mantiene firmemente unidas en una posición fija. Es difícil separarlas y, por consiguiente la sustancia es sólida.

Sin embargo, las moléculas contienen energía de movimiento y vibran alrededor de esas posiciones fijas. Al subir la temperatura, van ganando cada vez más energía y vibrando con mayor violencia. En último término adquieren tanta energía que la atracción de las demás moléculas no basta ya para retenerlas. Rompen entonces las ligaduras y empiezan a moverse por su cuenta, resbalando y deslizándose sobre sus compañeras. El sólido se ha licuado: se ha convertido en un líquido.

La mayoría de los sólidos son cristalinos. Es decir, las moléculas no sólo permanecen fijas en su sitio, sino que están ordenadas en formaciones regulares, en filas y columnas. Esta regularidad se rompe, cuando las moléculas adquieren suficiente energía para salirse de la formación, y entonces el sólido se funde.

La disposición regular de las moléculas en un sólido cristalino suele darse en una especie de orden compacto. Las moléculas se apiñan unas contra otras, con muy poco espacio entre medías. Pero al fundirse la sustancia, las moléculas, al deslizarse unas sobre otras, se empujan y desplazan. El efecto general de estos empujones es que las moléculas se separan un poco más. La sustancia se expande y su densidad aumenta. Así, en general los líquidos son menos densos que los sólidos.

O digámoslo así: los sólidos se expanden al fundirse y los líquidos se contraen al congelarse.

Sin embargo, mucho depende de cómo estén situadas las moléculas en la forma sólida. En el hielo, por ejemplo, las moléculas de agua están dispuestas en una formación especialmente laxa, en una formación tridimensional que en realidad deja muchos "huecos".

Al aumentar la temperatura, las moléculas quedan sueltas y empiezan a moverse cada una por su lado, con los empujones y empellones de rigor. Lo cual las separaría, si no fuese porque de esta manera muchas de ellas pasan a rellenar esos huecos. Y al rellenarlos, el agua líquida ocupa menos espacio que el hielo sólido, a pesar de los empujones moleculares. Al fundirse 1 centímetro cúbico de hielo sólo se forman 0,9 centímetros cúbicos de agua.

Como el hielo es menos denso que el agua, flota sobre ella. Un centímetro cúbico de hielo se hunde en el agua hasta que quedan 0,9 centímetros cúbicos por debajo de la superficie. Estos 0,9 cm3 desplazan 0,9 cm3 de agua líquida, que pesan tanto como el centímetro cúbico entero de hielo. El hielo es sostenido entonces por el empuje del agua, quedando 0,1 centímetros cúbicos por encima de la superficie. Todo esto es válido para el hielo en general. Cualquier pedacito de hielo flota en el agua, con una décima parte por encima de la superficie y nueve décimas por debajo.

Esta circunstancia resulta muy afortunada para la vida en general, pues tal como son las cosas, cualquier hielo que se forme en una masa de agua, flota en la superficie. Aísla las capas más profundas y reduce la cantidad de calor que escapa de abajo. Gracias a ello las aguas profundas no suelen congelarse, ni siquiera en los climas más gélidos. En cambio, en épocas más calurosas el hielo flotante recibe el pleno efecto del Sol y se funde rápidamente.

Si el hielo fuese más denso que el agua, se hundiría al fondo a medida que fuese formándose, dejando al aire libre otra capa de agua, que a su vez se congelaría también. Además el hielo del fondo, no tendría posibilidad ninguna de recoger el calor del Sol y fundirse. Si el hielo fuese más denso que el agua, las reservas acuáticas del planeta estarían casi todas ellas congeladas, aunque la Tierra no estuviese más lejos del Sol que ahora.


¿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 "selva" 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 dos pesos. Un billete de dos pesos podemos considerarlo igual a veinte monedas de diez centavos, pero ¿se trata sólo de una ecuación matemática o es realmente posible que al romper el billete en veinte 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.


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.

Entónces, 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.

Acá les pongo 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.


¿Qué es, en pocas palabras, la teoría de la relatividad de Einstein?

Según las leyes del movimiento establecidas por primera vez con detalle por Isaac Newton hacia 1680 - 1689, dos o más movimientos se suman de acuerdo con las reglas de la aritmética elemental. Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, por lo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora.

Como ven, no se puede hablar de la velocidad de la pelota a secas. Lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador a otro sería una “teoría de la relatividad”.

La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría hacerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él. En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más rápido, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz.

Einstein dijo entonces: supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias. ¿Cómo podemos disponer las leyes del universo para explicar esto?

Einstein encontró que para explicar la constancia de la velocidad de la luz había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló que los objetos tenían que acortarse en la dirección del movimiento, tanto más cuanto mayor fuese su velocidad, hasta llegar finalmente a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz; que la masa de los objetos en movimiento tenía que aumentar con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite de la velocidad de la luz; que el paso del tiempo en un objeto en movimiento era cada vez más lento a medida que aumentaba la velocidad, hasta llegar a pararse en dicho límite; que la masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y viceversa.

Todo esto lo elaboró en 1905 en la forma de la “teoría especial de la relatividad”, que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante. En 1915 extrajo consecuencias aún más sutiles para objetos con velocidad variable, incluyendo una descripción del comportamiento de los efectos gravitatorios. Era la “teoría general de la relatividad”.

Los cambios predichos por Einstein sólo son notables a grandes velocidades. Tales velocidades han sido observadas entre las partículas subatómicas, viéndose que los cambios predichos por Einstein se daban realmente, y con gran exactitud. Es más, sí la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta, los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas imposibles de hacer.

Pero a las velocidades corrientes, los cambios predichos son tan pequeños que pueden ignorarse. En estas circunstancias rige la aritmética elemental de las leyes de Newton; y como estamos acostumbrados al funcionamiento de estas leyes, nos parecen ya de “sentido común”, mientras que la ley de Einstein se nos antoja "extraña".

FUENTE : Muchos libros de Paenza e Isaac Asimov
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