El Blog de Jp

Publicado por emulenews

Cada día más cerca de la capa de invisibilidad de Harry Potter para luz visible. Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe, Alemania, han creado la primera capa de invisibilidad 3D para ondas electromagnéticas en el régimen infrarrojo cercano (longitudes de onda de 1′4 a 2′7 µm cuando el espectro infrarrojo va de 0′7 a 300 µm). Hay que destacar que ya se había logrado la invisibilidad en estas frecuencias, pero sólo en dispositivos en 2D. La capa de invisibilidad es una estructura de cristal fotónico, una estructura cristalina transparente con agujeros de aire en medio con una película de oro encima (ver figura). Por ahora, la estructura 3D desarrollada es muy pequeña, de sólo 0′1×0′3 mm de sección transversal, visible a vista sólo gracias a una lupa. El artículo técnico es Tolga Ergin, Nicolas Stenger, Patrice Brenner, John B. Pendry, Martin Wegener, “Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelengths,” Science Express, Published Online March 18, 2010. Se han hecho eco del artículo muchos medios, como Randolph E. Schmid, “Researchers create 3-D invisibility cloak: study,” PhysOrg.com, March 18, 2010, y Lisa Grossman, “How to hide a bump with some logs. Physicists design an invisibility cloak that works from multiple points of view,” ScienceNews, 18 March 2010.

La prensa española también se ha hecho eco del descubrimiento. En El País podéis ver un vídeo con la estructura de la foto de la izquierda rotando en 3D, es decir, un vídeo muy poco útil. Sin embargo, esta bastante bien la redacción de la noticia por parte de Malen Ruiz de Elvira, “Primer escudo de invisibilidad en tres dimensiones. Científicos alemanes construyen una capa que hace ‘desparecer’ bultos en una lámina de oro,” El País, 18/03/2010. Os recorto el inicio para abriros boca: “Un escudo de invisibilidad en tres dimensiones y que funciona desviando los rayos de luz, es el fruto de los esfuerzos de científicos alemanes, que lo han aplicado a ocultar un bulto en una pequeña y delgada lámina de oro. Como en los logros anteriores, el escudo debe hacerse a la medida de lo que se quiere hacer invisible y por ahora no tiene aplicaciones prácticas, pero sí demuestra que se pueden ocultar objetos de tres dimensiones. La estructura funciona desde ángulos inferiores a 60 grados. Es fruto del desarrollo de la nanotecnología, que permite crear los llamados metamateriales, materiales inexistentes en la naturaleza.”

En El Mundo utilizan la noticia de la Agencia EFE y presentan “¿Veremos la invisibilidad? Funciona mediante el control de los haces de luz,” El Mundo, 18/03/2010. ”El objeto está recubierto de una alfombra dorada por encima y envuelto en la capa de invisibilidad por debajo. La primera capa tridimensional que oculta los objetos se ha creado en Alemania. Hasta ahora sólo se había experimentado con capas en dos dimensiones. El campo de la invisibilidad se consigue en una diminuta capa tridimensional capaz de ocultar pequeños volúmenes u objetos gracias a la dispersión de los rayos de luz.”

En ABC utilizan la noticia de la Agencia EP y presentan “Una nueva capa invisible para Harry Potter. Los científicos hicieron desaparecer una pequeña abolladura sobre una superficie de oro,” ABC, 18-03-10. “Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania han creado una capa de invisibilidad tridimensional que impide observar los objetos que están dentro de ella, como si se tratara de la capa mágica de Harry Potter. Para ello, han utilizado luz casi visible para los humanos.”

Muchos otros medios se harán eco también de esta interesante noticia científica.

Un equipo de astrofísicos estadounidenses y suizos ha comprobado que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona a escalas tan grandes como las que separan las galaxias, según publica hoy la revista Nature. Para realizar el estudio los investigadores se han basado en una muestra de unas 70 000 galaxias y han definido un nuevo parámetro de cuantificación.

Un grupo de científicos del Observatorio de la Universidad de Princeton (EE UU) y del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Zurich (Suiza) han puesto a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein y concluyen que realmente funciona a escalas grandes, entre dos y 50 megapársecs (un pársec equivalente a 3,2616 años luz) en un desplazamiento hacia el rojo de 0,32 dentro del espectro.

“Hemos realizado la primera medida de una cantidad que puede detectar desviaciones de la relatividad general, y la medida confirma las predicciones de ésta, por lo que aumenta nuestra confianza en la teoría y en el marco cosmológico actual”, explica a SINC Reinabelle Reyes, autora principal del estudio que hoy publica Nature e investigadora en la Universidad de Princeton.

Para ver si la relatividad general se aplica a grandes escalas, el equipo ha analizado una muestra de unas 70.000 galaxias del catálogo Estudio Digital del Cielo Sloan (SDSS), y ha definido una cantidad denominada “EG”, que combina medidas y datos sobre “lentes gravitacionales débiles, cúmulos de galaxias, y velocidad de crecimiento de estructura a gran escala”.

La predicción relativista

Los resultados reflejan que en escalas grandes de decenas de megapársecs el valor de EG es cerca de 0,39, de acuerdo con la predicción relativista general que indica una cifra de aproximadamente 0,4.

El test permite potencialmente la discriminación definitiva entre la relatividad general y otras teorías de gravedad, pero de momento la precisión de las medidas solo permiten excluir algunos modelos alternativos.

Dentro del marco de la relatividad general, la gravedad surge de la geometría del espacio y el tiempo. A pesar de la aceptación de la teoría de la relatividad general, hasta ahora no había sido suficientemente probada en largas distancias cosmológicas, y los experimentos precisos se habían desarrollados solo en el Sistema Solar.

Referencia bibliográfica: Reinabelle Reyes, Rachel Mandelbaum, Uros Seljak, Tobias Baldauf, James E. Gunn, Lucas Lombriser y Robert E. Smith. “Confirmation of general relativity on large scales from weak lensing and galaxy velocities”. Nature 464, 11 de marzo de 2010.

Fecha Original: 10 de marzo de 2010
Enlace Original

Via | CienciaKanija

Está muy claro que, nuestro mundo es como es, debido a una serie de parámetros que, poco a poco, hemos ido identificando y hemos denominado Constantes de la Naturaleza. Esta colección de números misteriosos son los culpables, los responsables, de que nuestro universo sea tal como lo conocemos que, a pesar de la concatenación de movimientos caóticamente impredecibles de los átomos y las moléculas, nuestra experiencia es la de un mundo estable y que posee una profunda consistencia y continuidad.

Sí, nosotros también hemos llegado a saber que con el paso del tiempo, aumenta la entropía y las cosas cambian. Sin embargo, algunas cosas no cambian, continúan siempre igual, sin que nada les afecte. Esas, precisamente, son las constantes de la naturaleza que, desde mediados del siglo XIX, comenzó a llamar la atención de físicos como George Johnstone Stoney (1826 – 1911, Irlanda).

Parece, según todas las trazas, que el universo, nuestro universo, alberga la vida inteligente porque las constantes de la naturaleza son las que aquí están presentes, cualquier ligera variación en alguna de estas constantes habría impedido que surgiera la vida en el planeta que habitamos. El universo con las constantes ligeramente diferentes habría nacido muerto, no se hubieran formado las estrellas ni se habrían unido los quarks para construir nucleones (protones y neutrones) que formaran los núcleos que al ser rodeados por los electrones construyeron los átomos que se juntaron para formar las moléculas y células que unidas dieron lugar a la materia.  Esos universos con las constantes de la naturaleza distintas a las nuestras, estarían privados del potencial y de los elementos necesarios para desarrollar y sostener el tipo de complejidad organizada que nosotros llamamos vida.

Nadie ha sabido responder a la pregunta de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o llegará un momento en que comience su transformación. Hay que tener en cuenta que para nosotros, la escala del tiempo que podríamos considerar muy grande, en la escala de tiempo del universo podría ser ínfima. El universo, por lo que sabemos, tiene 13.500 millones de años. Antes que nosotros, el reinado sobre el planeta correspondía a los dinosaurios, amos y señores durante 150 millones de años, hace ahora de ello 65 millones de años.  Mucho después, hace apenas 2 millones de años, aparecieron nuestros antepasados directos que, después de una serie de cambios evolutivos desembocó en lo que somos hoy.

Todo ello pudo suceder como consecuencia de que, 200 millones de años después del Big Bang se formaron las primeras estrellas que, a su vez, dieron lugar a las primeras galaxias.

El material primario del universo fue el hidrógeno, el más sencillo y simple de los elementos que componen la tabla periódica. Hoy día, 13.500 millones de años después, continúa siendo el material más abundante del universo junto al helio.

Para hacer posible el resurgir de la vida, hacían falta materiales mucho más complejos que el hidrógeno; éste era demasiado simple y había que fabricar otros materiales que, como el carbono, el hidrógeno pesado, el nitrógeno, oxígeno, etc, hicieran posible las combinaciones necesarias de materiales diferentes y complejos que, al ser bombardeados por radiación ultravioleta y rayos gammas provenientes del espacio, diera lugar a la primera célula orgánica que sería la semilla de la vida.

¿Quién, entonces, fabricó esos materiales complejos si en el universo no había nadie?

Buena pregunta. Para contestar tengo que exponer aquí algunas características de lo que es una estrella, de cómo se puede formar, como puede ser, y cuál será su destino final. Veamos:

Lo que conocemos como estrella es una bola de gas luminosa que, durante una etapa de su vida, produce energía por la fusión nuclear del hidrógeno en helio. El término estrella, por tanto, no sólo incluye estrellas como el Sol, que están en la actualidad quemando hidrógeno, sino también protoestrellas, aún en formación y no lo suficientemente calientes como para que dicha combustión nuclear haya comenzado, y también varios tipos de objetos más evolucionados como estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustible nuclear gastado.

Las estrellas se forman a partir de enormes nubes de gas y polvo que a veces tienen hasta años-luz de diámetro.  Las moléculas de polvo, unidas a las de los gases, se rozan y se ionizan, se calientan y la  nube comienza a girar lentamente. El enorme conglomerado, poco a poco se va juntando y la temperatura aumenta. Tal enormidad de materia crea una fuerza gravitatoria que hace contraerse la nube sobre sí misma; su diámetro y su temperatura en el núcleo es tal que se produce la fusión de los protones de hidrógeno que se transforman en un material más complejo, el helio, y ese es el momento en que nace la estrella que, a partir de ahí, puede estar miles de millones de años brillando y produciendo energía termonuclear.

La masa máxima de las estrellas puede rondar las 120 masas solares, es decir, ser 120 veces mayor que nuestro Sol, y por encima de este límite sería destruida por la enorme potencia de su propia radiación. La masa mínima para poder ser una estrella se fija en 0′08 masas solares; por debajo de ella, los objetos no serían lo suficientemente calientes en sus núcleos como para que comience la combustión del hidrógeno y se convertirían en enanas marrones. Las luminosidades de las estrellas varían desde alrededor de medio millón de veces la luminosidad del Sol para las más calientes hasta menos de la milésima de la del Sol para las enanas más débiles. Aunque las estrellas más prominentes visibles a simple vista son más luminosas que el Sol, la mayoría de las estrellas son en realidad más débiles que éste y, por tanto, imperceptibles a simple vista.

Como he dicho antes, el brillo de las estrellas (la luz y el calor) es el resultado de la conversión de masa en energía (E = mc²), por medio de reacciones nucleares, las enormes temperaturas de millones de grados de su núcleo, hace posible que los protones de los átomos del hidrógeno se fusionen y se conviertan en átomos de helio. Por cada kilogramo de hidrógeno quemado de esta manera, se convierten en energía aproximadamente siete gramos de masa. De acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (arriba reseñada), los siete gramos equivalen a una energía de 6′3 × 10¹⁴ julios. Las reacciones nucleares no sólo aportan la luz y el calor de las estrellas, sino que también producen elementos pesados, más complejos que el hidrógeno y el helio que, posteriormente, son  distribuidos por el universo, cuando al final de la estrella, esta explota en supernova, lanzando sus capas exteriores al espacio que de esta forma, deja “sembrado” de estos materiales el “vacio” estelar.

Las estrellas pueden clasificarse de muchas maneras. Una manera es mediante su etapa evolutiva: en presecuencia principal, secuencia principal*,  gigante, supergigante, enana blanca, estrella de neutrones y agujeros negros.  Estas últimas son la consecuencia del final de sus vidas como tales estrellas, convirtiéndose en objetos estelares de una u otra clase en función de sus masas originales. Estrellas como nuestro Sol, al agotar el combustible nuclear se transforman en gigantes rojas, explotan en novas y finalmente quedan como enanas blancas. Si la masa es mayor serán estrellas de neutrones, y si aún son mayores, su final está en agujeros negros.

Otra clasificación es a partir de sus espectros, que indican su temperatura superficial. Otra manera es en poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor edad. También evolución estelar y magnitudes aparentes y absolutas y el tipo espectral con la distancia en a. L., es otra de las clasificaciones.

Después de estas clasificaciones genéricas tenemos otras mas particulares y definidas referidas a estrellas binarias, estrellas capullo, con baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja  masa, de bario, de bariones, de campo, de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, estrella de la población I extrema, de la población intermedia, de la rama gigante asintótica, estrella de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio y, viceversa, estrella de metales pesados, de neutrones*, estrellas de quarks (hipotética con densidad intermedia entre la estrella de neutrones y el agujero negro), estrella de referencia, de silicio, de tecnecio, de tiempo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estándar, evolucionada, etc.

La variedad de estrellas es grande y para los estudiosos fascinantes.  Tal diversidad es debida a la evolución que desde su formación tiene cada tipo de estrella en función de su masa y de los gases y polvo cósmico que la forman y los que se crean en su núcleo (horno solar) a miles de millones de grados de temperatura capaces de transformar materiales simples como el hidrógeno hacia una gama más compleja y pesada que, finalmente, mediante la explosión de supernova (más temperatura), arroja al espacio materiales que, a su vez, forman nuevas estrellas de 2ª y 3ª generación con materiales complejos.  La vida en nuestro planeta pudo surgir gracias a que en la Tierra había abundancia de estos materiales creados en las estrellas. Podemos decir, sin temor a equivocarnos que nosotros mismos estamos hechos del  material creado en las estrellas lejanas que posiblemente, hace miles de millones de años explotó en supernova a millones de años luz de nuestro Sistema Solar.

Pero retomando el tema central de este capítulo, las constantes fundamentales de la naturaleza,  tenemos que decir que, precisamente, estas constantes son las que tienen el  mérito de que las estrellas brillen en las galaxias y de que nosotros estemos aquí para mirar a los cielos y contemplar su belleza.

Al principio mencioné a George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.

Pero su pasión real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”. Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica. Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J. J. Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1.897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a esta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1891 (antes de su descubrimiento).

Stoney, primo lejano y más viejo del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald, después famoso por proponer la “contracción Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primero que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme. Ellas, las constantes, continúan inalterables como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s. Algo análogo ocurre con la gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro  o valor: G = 6′67259 × 10^{-11 m3} s^-2 Kg^-1. Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.

Profesor de filosofía natural (así llamaban antes a la Física) en el Queen’s College Galway en 1.860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.

Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que él mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en qué tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas o distancias o algún fenómeno: se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

emilio silvera

Las escalas de tiempo presentes en nuestro día a día vienen dadas por la duración de acciones cotidianas, por ejemplo cuánto tardamos en ir al trabajo, el tiempo que pasamos durmiendo o esperando en la cola del banco. La percepción temporal depende de nuestra capacidad para detectar cambios a nuestro alrededor. Como no podemos detectar cambios que tarden más en suceder que la duración de nuestra vida nos resulta muy difícil poder comprender intuitivamente el paso del tiempo a escalas mayores, como ocurre en el Universo.

Intentemos adoptar la perspectiva de la Tierra. En el momento de su formación hacía casi 500 millones de años que el Sol ardía y había transcurrido más de la mitad del tiempo desde el Big Bang.

El Sistema Solar, y con él la Tierra, tarda unos 225 millones de años, un año galáctico, en dar una vuelta completa alrededor del centro de su galaxia, la Vía Láctea. Se trata de una galaxia espiral y, como en todas ellas, la mayoría de sus estrellas y nubes de gas giran alrededor del centro en órbitas casi circulares que le dan un aspecto aplanado y en forma de disco. La luz emitida desde su centro tarda unos 23.000 años en alcanzarnos, lo que da una idea de dónde nos encontramos.

La Vía Láctea forma parte de un grupo de unas 50 galaxias, el Grupo Local. Dentro de este grupo están las conocidas Nubes de Magallanes, visibles a simple vista desde el Hemisferio Sur, y una galaxia de tamaño similar a la Vía Láctea: Andrómeda. Carina, Draco y Leo II son algunas de las galaxias más pequeñas de este grupo, la luz sólo tarda en atravesarlas 500 años (cien mil años tarda en cruzar la Vía Láctea). Estas galaxias tan pequeñas, en comparación, se denominan galaxias enanas.

La rotación de las estrellas en la Vía Láctea no es uniforme. Al contrario de lo que ocurre cuando hacemos girar las aspas de un molinillo, en las cuales todas las partículas se mueven con la misma velocidad, las estrellas situadas más cerca del centro de la Vía Láctea tardan menos en dar la vuelta a la galaxia que las que se encuentran más alejadas, y por ello se dice que la galaxia tiene una rotación diferencial. El Sol viaja con la velocidad media de las estrellas que se encuentran en su vecindario, de manera que para nosotros no parecen moverse. Es curioso pensar que la luz que llega desde el otro lado de la galaxia se emitió hace unos 100.000 años y que el Sistema Solar tarda unos 225 millones de años en recorrer la misma distancia y esto a pesar de estar viajando a la friolera de ¡792.000 kilómetros por hora!

¿Qué piensa nuestro planeta de los eventos ocurridos a lo largo de sus 4.600 millones de años de vida? En años galácticos la Tierra ¡es una veinteañera!

Se piensa que un poco después de cumplir un añito la Luna se forma debido a la colisión de un objeto planetario del tamaño de Marte con el joven planeta. En su tercer año galáctico, su corteza se solidifica. Y en el quinto ya contiene las primeras células y la fotosíntesis comienza. Comienza a enriquecer con oxígeno una atmósfera que hasta ese momento carecía de él y donde todo el oxígeno generado por la ruptura del vapor de agua quedaba atrapado como óxido de hierro. Se forman sistemas moleculares envueltos por membranas, las primeras células procariotas, es decir, sin núcleo. En estas células ya existe una trasmisión hereditaria a través del ARN, que además actúa como catalizador de la síntesis proteica.

¡Todo está listo para la aparición de vida más compleja! Sin embargo, no es hasta que cumple los dieciocho que ocurre la explosión de vida del periodo Cámbrico en la era Paleozoica. En este período, que hace las delicias de los paleontólogos modernos, aparecen animales con esqueleto que fácilmente dejan huella en los registros fósiles. Y en los últimos dos días antes del vigésimo cumpleaños de la Tierra, surgen los primeros homínidos, cuyos descendientes intentarán comprender no sólo la evolución de la Tierra, sino la del Universo entero. Ambiciosos, ¿no?

¿A qué eventos asistirá la Tierra a partir de ahora?

En unos miles de millones de años podría ser testigo de la fusión de las Nubes de Magallanes, si están realmente ligadas gravitacionalmente a la Vía Láctea. De ser así, cederían parte de su energía cinética a las estrellas de nuestra galaxia, de manera que poco a poco irían decelerándose hasta que finalmente serían comidas por ella.

Otro hito que podría ocurrir en torno al treinta cumpleaños de la Tierra es el choque entre la Vía Láctea y Andrómeda, las dos galaxias más grandes del Grupo Local. En esta colisión el Sol podría ser arrastrado hacia Andrómeda, saldría de su tranquila órbita alrededor del centro de la Vía Láctea y formaría parte de la cola de material producida como consecuencia de la interacción entre las dos galaxias. Probablemente al final vagaría por el exterior del halo de la nueva galaxia resultante de la fusión, en la cual la mayoría de sus estrellas no seguirían órbitas circulares alrededor del centro, como ocurre en la Vía Láctea y Andrómeda, sino que se moverían de manera más o menos aleatoria respecto a otras estrellas, y su forma se parecería a la de un balón de rugby. Este tipo de galaxias se denominan galaxias elípticas. Y a partir de este momento no sería posible contar la edad de nuestra Tierra en años galácticos.

La Tierra será testigo de este evento siempre y cuando ocurra en menos de cinco mil millones de años, cuando nuestro Sol, que actualmente ha vivido aproximadamente la mitad de su vida, se convierta en una gigante roja con un radio estimado de aproximadamente una unidad astronómica (la distancia actual Sol-Tierra). Si nuestro planeta formase parte de esta nueva galaxia alrededor de su 30 cumpleaños, aún le quedaría un 25% de su vida por vivir en este nuevo hábitat situado en las afueras de una galaxia elíptica.

Volviendo al apetito de nuestra galaxia por las galaxias vecinas, existe evidencia de que otras galaxias enanas han sido comidas por la Vía Láctea. Sagitario rondó demasiado cerca y terminó canibalizada por ella. Su fusión ocurrió hace unos cuantos miles de millones de años, coincidiendo aproximadamente con el período en el se formó la Tierra. Podemos observar sus restos desgarrados, descubiertos en 1994, que orbitan en el halo de nuestra galaxia.

Nuestra galaxia y sus vecinas del Grupo Local forman parte, junto con otros 100 grupos de galaxias, del Supercúmulo de Virgo (o Supercúmulo Local). Para cruzar el Supercúmulo de Virgo, la luz emplea unos 110 millones de años, 10.000 veces más que en atravesar nuestra galaxia. Viajando a la velocidad de la galaxia tardaríamos en cruzarlo mucho más tiempo que el transcurrido desde el Big Bang hasta ahora.

Cuando accedemos a la escala supercúmulo la Tierra deja de “darse cuenta”, pues cualquier cambio que se produzca en unos cuarenta años galácticos, aproximadamente unos 9.000 millones de años, resulta demasiado lento incluso para la larga vida de nuestro planeta. Un ejemplo de un proceso a esta escala “invisible”, es el enfriamiento de una enana blanca. Las enanas blancas son estrellas poco masivas en su estado final de evolución (el Sol acabará como una enana blanca). Son muy densas y no tienen fusión nuclear en su interior, la radiación que emiten viene de la energía que tienen almacenada y no pueden recargarse. Por esto la enana blanca se irá enfriando lentamente hasta convertirse en una enana negra más o menos en equilibrio térmico con sus alrededores. Este estado no se ha observado todavía, ya que requiere más tiempo que el transcurrido desde el origen del Universo.

Aunque haya fenómenos que forzosamente se le “escapen” por su larga duración, la Tierra ha sido testigo no sólo de la aparición de la vida sino también de muchos otros cambios en el Universo y asistirá a otros. Nosotros tenemos, todavía, una percepción temporal más limitada que la que tendría el planeta de tener conciencia. Sin embargo, aunque nunca podremos percibir modificaciones a escala cosmológica sí podemos llegar a deducir, a partir de algunos resultados que observamos, lo que significan. Es el objetivo de la Astrofísica.

Adaptación de la conferencia “Las escalas de tiempo en el Universo“ impartida por la autora en la Universidad de Granada.

Más información:

T.J. Cox & A. Loeb, 2008, MNRAS,386, 461

R.A. Ibata, G. Gilmore & M.L. Irwin, 1994, Nature, 370, 194

M. Mateo, 1998, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 36, 435

Physical Universe, F.H. Shu, University Science Books, 1982

Isabel Pérez Martín es Doctora en Astrofísica por la Universidad Nacional Australiana. Actualmente trabaja como investigadora en el departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada.

Los especialistas del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han logrado importantes avances al explotar un fenómeno hasta ahora desconocido, pero que podría cambiar la forma en que generamos electricidad. Se trata de un sistema capaz de producir notables cantidades de energía a partir de un diminuto artilugio -bastante más pequeño que un grano de arroz- construido en base a nanotubos de carbono. Esencialmente, el aparato consiste en una serie de nanotubos recubiertos por una capa de combustible. De la misma forma que un cuerpo liviano puede “viajar” por la superficie del océano impulsados por las olas, las ondas térmicas generadas en la superficie de los microscópicos hilos de carbono pueden viajar por ellos y crear una corriente eléctrica. Se trata de una nueva forma de producir electricidad, que podría dar lugar a un nuevo sector de especialización en el campo energético y cuya aplicación practica principal serian -al menos en principio- los dispositivos nanoelectrónicos.

La noticia se dio a conocer mediante un parte de prensa del MIT, y luego fue publicada en medios especializados como Nature Materials. El científico a cargo del equipo que realizó los trabajos es Wonjoon Choi, un estudiante de doctorado en ingeniería mecánica de ese Instituto. En su escrito Choi explica que el proceso de generación de electricidad se produce cuando se recubren los nanotubos con una capa de un combustible de reacción que capaz de producir calor por descomposición. Este combustible entra en ignición cuando es encendido en un extremo de los nanotubos mediante un rayo láser o una chispa eléctrica de alto voltaje. La combustión genera calor, en forma de una onda térmica de rápido movimiento que viaja través de los nanotubos a gran velocidad, aproximadamente unas 10.000 veces más rápido que en cualquier otra reacción química “convencional”. La temperatura se eleva hasta cerca de los 2700 grados centígrados, y el calor generado por la combustión aporta la energía necesaria para que los electrones comiencen a desplazarse a lo largo de los nanotubos de carbono, creando “una corriente eléctrica considerable”.

Los electrones se desplazan a lo largo de los nanotubos de carbono.

La cantidad de energía liberada en este proceso es mucho mayor que la prevista por los cálculos tradicionales en el campo de las ondas termoeléctricas. Esto ya fue advertido por los expertos en los experimentos iniciales. Los ingenieros, asombrados por magnitud del pico de tensión eléctrica resultante luego de encender el revestimiento de combustible en los nanotubos de carbono,  redoblaron sus esfuerzos para entender al detalle y optimizar este nuevo fenómeno. Existen otros materiales, como los semiconductores, que tienen la propiedad de producir un potencial eléctrico cuando son calentados (el llamado efecto Seebeck), pero se trata de un principio completamente diferente al descubierto en los nanotubos de carbono. Según la explicación de los propios investigadores, en estos dispositivos se produce un “arrastre de electrones”, debido a la capacidad que posee  la onda térmica de “llevarlos” con ella a lo largo de los microconductos creados por los nanotubos. Todo esto contribuye para lograr la alta potencia que es capaz de generar el sistema.

Es demasiado pronto para especular sobre los alcances reales de esta nueva forma de generar electricidad, pero dado el pequeño tamaño del dispositivo y su gran capacidad, los científicos creen que estos generadores podrían utilizarse para alimentar minúsculos artilugios destinados a implantarse en el cuerpo humano o como parte de sensores remotos. El equipo de Wonjoon Choi afirma que incluso podrían utilizarse para generar corriente alterna. Sin dudas, se trata de un descubrimiento que podría revolucionar la forma en que alimentamos nuestros aparatos.

Via | NeoTeo

Publicado por emulenews en 5 Marzo 2010

Newton, en los Principia, define la masa intuitivamente como ”la cantidad de materia… que deriva de su densidad y volumen.” Según el principio de equivalencia (de Newton) la masa es a la vez una medida de la inercia de un objeto (su oposición a moverse) y una fuente de atracción gravitatoria. En el s. XIX la teoría atómica permitió ver la masa de un bloque de materia como la suma de la masa de sus átomos. Pero esto no responde a ¿qué es realmente la masa? Abraham (1903) y Lorentz (1904) propusieron que la masa del electrón se podía interpretar como “autoenergía” electromagnética. Einstein (1905) con su famosa fórmula E=m c², nos permitió interpretar la inercia de los cuerpos (la masa) como una función de la velocidad, m(v), que se puede dividir en dos términos separados, uno de energía en reposo, m(0), que llamamos masa en reposo m₀, y otro de energía en movimiento (o cinética), igual a m₀ (1–c/√(c²–v²)). Normalmente entendemos por masa el primer término, la energía en reposo de un cuerpo, el segundo también es importante en cuerpos compuestos. Si un cuerpo está formado por partes móviles, su masa dependerá de la suma de las masas en reposo de las partes más la energía cinética de su movimiento. Veamos lo que esto significa.

La masa en reposo de un átomo es la suma de las masas en reposo de sus electrones y de su núcleo más la energía de enlace electromagnética entre los electrones (partes móviles) y el núcleo (supuesto en reposo). La contribución de este segundo término es muy pequeña en un átomo. En el átomo de hidrógeno con un electrón en su estado fundamental ¹S la energía de enlace es sólo de 13′6 eV, es decir, el 1′45×10^–10 % de la masa total del átomo (las reacciones químicas aprovechan esta energía). La masa en reposo de un núcleo atómico es la suma de las masas en reposo de sus protones y neutrones más la energía de enlace debida a la fuerza nuclear fuerte que los une. En una partícula alfa (un núcleo de helio ⁴He) esta energía de enlace constituye el 0′75% de su masa. Un número también muy pequeño pero enorme a escala macroscópica (es la energía aprovechada en los reactores nucleares).

La masa en reposo de un nucleón (protón o neutrón) es otra historia. La suma de las masas en reposo de los tres quarks que lo constituyen aporta menos del 2% de su masa en reposo total. El resto es debida a la energía de enlace que los une y los confina dentro del núcleo, es energía de confinamiento del campo cromodinámico de partones (gluones y pares quark-antiquark virtuales). La masa en reposo de los hadrones, tanto bariones (3 quarks) como mesones (2 quarks) es fundamentalmente energía (cinética). El quark abajo (d, down) tiene una masa en reposo mayor que el quark arriba (u, up). Como estas partículas elementales no se pueden observar aisladas no se conoce exactamente cuánto vale esta masa en reposo, aunque se estima que debe ser entre 1′5-4 y 4-8 para los quarks u y d, respectivamente. La pequeña diferencia de masa entre un protón (uud) y un neutrón (udd), unos 1′29 MeV, es el resultado de la resta entre la diferencia de masas entre los quarks d y u y la autoenergía electromagnética del protón por tener carga positiva (el neutrón es neutro).

El cálculo de la masa de un hadrón utilizando la teoría cromodinámica cuántica (QCD) es muy difícil, sino imposible, con lápiz y papel. Hay que utilizar métodos numéricos (QCD en redes) y supercomputadores. Los resultados numéricos explican bastante bien los resultados observados en los experimentos. Por ello podemos afirmar que casi casi toda la masa visible del universo es energía de confinamiento de quarks en nucleones, ya que la materia luminosa es esencialmente la de los protones y neutrones en las estrellas y nubes de polvo interestelar. La cromodinámica cuántica es por tanto la teoría que explica la práctica totalidad de la materia visible del universo.

La afirmación repetida infinidad de veces de que el bosón de Higgs es el responsable de toda la masa en el Universo es sencillamente falsa. La materia (ordinaria, no la materia oscura) del universo es materia bariónica, cuya masa es energía de confinamiento con una pequeña contribución de masa en reposo, en la que podría influir el bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs es responsable de la diferencia entre el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, fuerzas que a alta energía están unificadas en una única fuerza llamada electrodébil. A alta energía, mayor de unos 246 GeV, hay cuatro fotones sin masa (dos cargados y dos neutros). A baja energía, tres de estos fotones adquieren masa. El mecanismo de Higgs explica la ruptura de simetría electrodébil que conduce a dicha diferencia; algo parecido a la diferencia entre el hielo y el agua, son la misma cosa, están compuestas por las mismas moléculas, pero son muy diferentes en sus propiedades.

Se cree que el mecanismo de Higgs y la teoría electrodébil permiten explicar la generación (aparición) de la masa en reposo de los quarks y leptones (electrones y neutrinos). Entender el proceso que impulsa la ruptura de la simetría electrodébil requiere explorar con grandes aceleradores de partículas la escala de energías de Fermi, las energías alrededor de 1 TeV = 1000 GeV (recuerda que la masa de un protón es de 0′938 GeV/c² = 1.67×10^–27 kg), es decir, distancias más pequeñas que 10^–18 m. La escala de energías de Fermi puede ocultar otros secretos del universo (física más allá del Modelo Estándar) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que ya está en funcionamiento en el CERN se ha diseñado para llevar a cabo una exploración a fondo de la escala de Fermi

¿Qué pasaría si el bosón de Higgs no fuera encontrado en el LHC del CERN? Todos los experimentos de alta precisión del Modelo Estándar indican que la ruptura de la simetría electrodébil es una realidad. No encontrar el Higgs indicaría que hay otro mecanismo que es responsable de romper la simetría electrodébil, un mecanismo que no deja una señal en forma de partícula elemental. Hay muchas posibilidades. Por ejemplo, una ruptura dinámica de la simetría.

Fuente: Introducción del artículo de Chris Quigg, “Spontaneous Symmetry Breaking as a Basis of Particle Mass,” Reports on Progress in Physics 70: 1019-1054, 2007 [disponible en ArXiv]; también la introducción de Chris Quigg, “Higgs Bosons, Electroweak Symmetry Breaking, and the Physics of the Large Hadron Collider,” Contemporary Physics 48: 1-11, 2007 [disponible en ArXiv].

Nota al pie: “La búsqueda del bosón de Higgs. I,” será la primera de una serie de entradas en este blog que espero que los lectores disfruten.