La física cuantica para gente bien by eldeberdevivirfeliz

LA FÍSICA CUÁNTICA PARA “GENTE BIEN” ¿Quiénes son “Gente bien?: Pues los que leen la obra

Mario Blacutt Mendoza (Master of Science)

Los derechos de autor de las versiones impresa y digital de la presente obra estĂĄn debidamente reservados y protegidos por Ley

PRÓLOGO Albert Einstein formuló con su Teoría de la Relatividad General la existencia de las ondas gravitacionales, una especie de olas en el Universo La comunidad científica ha tenido que esperar cien años hasta poder dar la razón, con pruebas, a una de las mentes más privilegiadas del siglo XX. Demostrar la existencia de estas ondas era el último reto pendiente de la Teoría de la Relatividad General, que Einstein formuló en 1915 Las ondas gravitacionales son una especie de "olas en el océano cósmico" Einstein estableció que los objetos que se mueven en el Universo producen ondulaciones en el espacio-tiempo Éstas son las ondas gravitacionales, las cuales son "una nueva ventana al Universo" Gracias a ellas se podrá entender los mecanismos por los que suceden algunos de los eventos más violentos del Cosmos Ejemplo: las colisiones entre agujeros negros o las explosiones de estrellas Será el inicio de una nueva era en astronomía, porque el Universo es casi transparente para ellas, lo que permitirá observar fenómenos astrofísicos Fenómenos que de otra manera permanecerían ocultos; la formación de agujeros negros o cómo se comporta la materia en condiciones extremas El conocimiento del Cosmos se realiza hasta ahora, principalmente, a través de la radiación electromagnética (luz), con ellas se puede "ver" Con las ondas gravitacionales es como "oír” el Universo 3

En los ’70 el descubrimiento de los púlsares, estrellas de neutrones, llevó a la primera evidencia indirecta de su existencia Además, los efectos de las ondas gravitacionales son tan pequeños que se necesita detectores gigantescos para intentar dar con ellas. La literatura, el poema, la música y el arte son dimensiones realmente queribles por el espíritu humano; verán que la Física moderna también lo es La Física Moderna, combinación de la Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica, nos trae mundos que no sospechábamos que existían Los teóricos de la Física no dejan de expresar su asombro ante las respuestas extrañas que la naturaleza ofrece a quiénes le preguntan Al parecer, la naturaleza ha impuesto un protocolo en su relación con el ser humano: dialogará si el ser humano se atiene a sus caprichos El sabio que desee dialogar con madre natura lo hará en las condiciones que madre natura impone, no hay otra manera Esto se refleja en la insignificancia de la razón como instrumento cognitivo del mundo, en sus diversas dimensiones Por supuesto que la versión que ahora se pone a disposición del lector es un conjunto de síntesis logradas de la lectura de varios físicos modernos Entre ellos, Fritjof Capra, cuya obra nos sirve de senda y guía para levitar en el mundo del macrocosmos y del microcosmos El lenguaje ha sido especialmente diseñado para quienes creen que los conceptos de la Física Moderna son complicados No hay tal; las ecuaciones con las que los físicos representan al universo sí, son difíciles, pero los conceptos pueden ser expresados con naturalidad Esta obra está hecha para el disfrute intelectual y emocional de los lectores; de paso, para enterarnos de lo que hasta ahora no sabíamos 4

Para que suene más familiar he decidido estructurarla como si fuera una materia de alguna una Universidad, en la cual el lenguaje sería informal El Decano de la Facultad de Ciencias Naturales (virtual) tenía sus dudas sobre la forma en que el profesor había decidido dictar la materia El nombre, de por sí, ya mostraba una informalidad muy difícil de aceptar en una Casa Superior de Estudios, en la que todo es serio y racional Luego de varias charlas con el profesor que la había propuesto, aceptó la inclusión de la materia en la oferta académica de la Carrera En cambio, exigió que la materia fuera dictada en el aula y, al mismo tiempo, como un curso a distancia, en el marco de la extensión universitaria El curso se llamaría “Física Moderna para Gente Bien” eso era lo que molestaba al Decano; por supuesto, tenía razón para preocuparse Esta es la historia de ese primer curso virtual

EL ASOMBRO PRIMERO Los alumnos ya estaban en sus asientos; el profesor pidió los nombres y el semestre en el que cada uno se encontraba; cuando conectaba el mecanismo del data show y la computadora, un alumno, Jaime, pregunta: -dígame profe; ¿quiénes son gente bien? -pues todos los que toman este curso, los que participan en el curso a distancia y, finalmente, los que leen la obra Vanesa toma la palabra y, dirigiéndose al preguntón, le dice: -por lo que he observado en los cursos que compartimos tú y yo, me imagino que ésta debe ser la primera vez que te incluyen en algún círculo de “gente bien” -yo soy “gente bien” aquí, fuera de aquí; allá y más cerca de más allá, esta cualidad mía quedará demostrada al finalizar el curso -tal como lo veo, ya estás en el final cuando aún no hemos comenzado En ese momento intervino el profesor y les dijo que guardaran las energías para cumplir con las exigencias de la materia Antes de ingresar al primer tema de la materia, debo decirles que utilizaremos varias clases de pensamiento En primer lugar, claro está, el pensamiento lógico También nos familiarizaremos con lo que es el Pensamiento Lateral… el que fue propuesto por Edward Bono Tendremos después el pensamiento emocional, luego el pensamiento complejo y, finalmente, el metafórico Por supuesto que utilizaremos cada uno de ellos indistintamente 6

Pero cuando nos ocupemos, específicamente de conocer las características de cada uno de ellos, lo analizaremos con mayor detalle El Pensamiento Lateral Toma como punto de partida, planteamientos intencionalmente erróneos Surgen de una especie de automatismo síquico que postularon los creadores del Surrealismo, tales como Breton y Octavio Paz en la literatura Salvador Dalí en la pintura Este proceso es contrario al pensamiento lógico En el pensamiento lateral se emite propuestas que, en principio, nada tiene en común con el problema que se estudia El pensamiento lógico sólo busca lo que está relacionado con el problema Claro debe quedar que el pensamiento lateral no pretende sustituir al pensamiento lógico, ambos son necesarios en sus respectivos ámbitos También se complementan Empezaremos con el primer ejercicio de pensamiento lateral, que es un proceso en busca de una solución de enigmas Supongamos que la Policía recibe una carta anónima cuyo texto dice: Vendrá al gigante maldito y empezará a comer; mientras más coma, más hambre tendrá y mientras más hambre tenga, devorará más y más hasta dejar un extenso y sombrío erial ¿Cómo podríamos interpretar la intención de la carta? -creo que todos estamos de acuerdo de que entraña una amenaza, aunque no se sabe de qué tipo -un análisis del contenido nos muestra una especie de gigante que sería el causante de una tragedia, por su insaciable apetito 7

Así es; ahora bien, nos preguntemos si el gigante que devora más y más: ¿es un ser real? ¿existe como tal? -con toda seguridad es un ser imaginario que representa algo que es diferente de un gigante -podemos imaginar algo que represente al gigante y que es potencialmente peligroso ¡Excelente! Esto marcha -con toda claridad vemos que el gigante es una metáfora para designar algo real, pero que nada tiene que ver con el gigante en cuestión -así es; como sabemos, una metáfora es una figura literaria que consiste en trasladar las características de un objeto a otro -de esta manera, cuando decimos de alguien tiene “una voluntad de acero”, estamos trasladando la dureza del acero con el objeto de expresar la firme voluntad de la persona a quien nos referimos -este último nada tiene que ver con el primero a pesar de que se le ha asignado las cualidades de ese primero… -por lo tanto, imaginemos algo que no es un gigante, pero que come con el fin ulterior de comer más -esto nos permite deducir que la cualidad de comer más y más es una cualidad metaformoseada en alguien o algo que puede hacer daño, dado el contexto del contenido de la carta Ustedes ya han identificado el carácter metafórico de la carta, ahora deben establecer imaginar qué es ese “algo”, usando el pensamiento lateral -una avalancha de gente con hambre atrasada que invade las tiendas de comestibles para saquearlas y no dejar nada -una plaga de langostas que devorará todo -manifestaciones de protesta con muchedumbres cuyo número aumenta a medida que devoran las calles, causando destrozos -una invasión de alienígenas que arrasan con todo -una invasión de ratas hambrientas -una manifestación de mujeres enojadas porque sus maridos son flojos -una aparición espontánea de hongos radioactivos -una inundación 8

Podría ser, pero la carta dice que “el gigante dejará un erial” -entonces es fuego que avanza y devora más, mientras más avanza -es la amenaza de un gran incendio Un incendio; eso es; pero ¿cómo puede dejar un erial? -un incendio en un gran parque en el cual el fuego reduce a cenizas todos los árboles -¿cuál sería el lugar más probable que escogería un terrorista para iniciar un incendio, dado que nos encontramos en San Francisco, California? -uno de los lugares más probables sería Muir Woods, que es el parque más conocido del norte de San Francisco; fue declarado Monumento Nacional en el año 1908 -si el terrorista quiere llamar la atención, sin duda escogerá ese lugar para iniciar un gran incendio Estimados alumnos: han resuelto el contenido de la amenaza metafórica implícita en la carta, para lo cual han usado el pensamiento lógico y el pensamiento lateral Con ambos tipos de pensamiento, llegaron a una deducción correcta sobre la base de las alternativas propuestas Algunas de esas alternativas fueron absurdas, propias del pensamiento lateral, aunque no debemos olvidar que la deducción final es lógica Si seguimos así, puede que el alcalde nos contratará como consultores de la policía… esas clases de pensamiento son los que necesitaremos para tratar de entender el lenguaje de la naturaleza en el macro y el microcosmos; entremos en materia El primer tema es enterarnos de que el átomo es anárquico, tal vez lo más anárquico que cualquier otro 9

Observen las imágenes que el Data Show proyecta en la pantalla: varias pelotas de baseball han sido lanzadas; atravesaron las dos rendijas paraleles y luego rebotaron en una pared azul detrás de las rendijas; dejaron allí las marcas de la pintura que cada bola tenía y la constancia de que, sí, pasaron a través de las rendijas -señor secretario general de la Gente Bien ¿Qué tiene de particular que las pelotas de baseball traspasen 2 rendijas? -gracias por el título; se comportan como dos partículas, de las cuales hablaremos muy a menudo; ahora veamos lo que sucede cuando el científico en vez de pelotas, lanza electrones en su laboratorio -¿los lanza como las pelotas de baseball? -no exactamente, pero el electrón se duplica por sí mismo, esto es, en vez de uno aparecen dos

De esta manera, el electrón original, ahora dividido en dos, pasa por las dos rendijas al mismo tiempo Uno de los alumnos comenta: -¡Eso es imposible!, va en contra de toda la racionalidad del hombre; es un truco obsceno De inmediato, otro le contesta: -honorable gente bien; a la naturaleza le importa un cacahuete que sus actos estén o no en consonancia con la razón del ser humano, al que conside10

ra el virus más letal que jamás haya creado y al que muy pronto hará desaparecer -¿de cómo saben los electrones que los están viendo? -ése es uno de los grandes misterios de la naturaleza, ¿verdad, profe? -sí; es uno de los misterios que la física aún no puede resolver, aunque los experimentos al respecto progresan; pero hay algo mucho más extraño: pues esos electrones se comportan como ondas y como partículas al mismo tiempo -¿qué es una onda y qué una partícula? Partícula y Onda Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa Una onda se extiende en el espacio, pero no tiene masa La partícula sería como la pelota de baseball y la onda, como una marea en la playa, pero sin masa Cuando los científicos “miran” el experimento, los electrones se comportan como las bolas de baseball, es decir, se comportan como partículas Pero cuando dejan de mirar, los electrones se comportan como ondas

-¿cómo saben los científicos que cuando no miran, los electrones dejan de comportarse como partículas y empiezan a ser ondas? Lo saben por las marcas que, en cada caso, dejan en la superficie detrás de las rendijas 11

-¿por qué las bolas de baseball no se comportan como partículas y como ondas? -los científicos han detectado que sólo las partículas elementales, las más pequeñas de la materia, tienen la característica de ser partícula y onda al mismo tiempo -¿sería el electrón la partícula elemental más pequeña? -no; hay elementos subatómicos que son muchísimo más pequeños que los electrones, cuyas propiedades aún no son del todo conocidas

El comportamiento de las partículas elementales y subatómicas parece muy raro

Newton y la Física Clásica -¿por qué Newton es tan famoso? Porque fue el primero en establecer leyes en el universo, varias de las cuales siguen vigentes hoy, especialmente en el mundo macroscópico Además, hizo que el lenguaje del Universo se expresara por medio de ecuaciones matemáticas -¿qué clase de matemáticas? Al mismo tiempo que Leibniz, inventó el Cálculo Diferencial que ustedes conocen muy bien; también se usa la topología y otras más complicadas ¿Se aplica la mecánica de Newton al mundo atómico y subatómico? No; la Mecánica Cuántica es la que tiene por objeto el estudio del mundo subatómico; de ese mundo hablaremos en este curso… 12

Pero las ecuaciones del movimiento de Newton constituyen la base de la mecánica clásica aún utilizada hoy Las representó como leyes fijas que gobiernan el movimiento de los cuerpos materiales y de todos los cambios observados en el mundo físico -¿y eso no era cierto? En parte, no; una centuria después se descubrió una nueva realidad física Los nuevos hallazgos determinaron que ninguna de características propuestas hasta entonces tenía validez absoluta De esta manera prepararon el camino para las revoluciones científicas de las que hablaremos ahora -¿quiénes fueron los primeros en probar que las leyes de Newton no son absolutas ni aplicables a todo lo que existe? El primero de estos avances fue el descubrimiento los fenómenos eléctricos y magnéticos que no podían ser descritos por la física de Newton Fenómenos fueron descubiertos por Michael Faraday y Clerk Maxwell Faraday produjo una corriente eléctrica en una bobina de cobre moviendo un imán cerca de ella -¿por qué fue muy importante? Convirtió el trabajo mecánico de mover un imán en energía eléctrica Con ese experimento se reemplazó el concepto de “fuerza” por el de campo de fuerza, cuya importancia abordaremos dentro de poco -¿y cuando aparece Einstein en este laberinto? Albert Einstein Su Teoría Especial fue publicada en 1905 13

En ella propuso dos tendencias renovadoras de pensamiento Esas dos propuestas fueron: la teoría especial de la relatividad, y una nueva forma de considerar la radiación electromagnética Esa teoría se convirtió en la teoría cuántica, que es la teoría de los fenómenos atómicos, consolidada 20 años después, por un equipo de físicos Dijo que el espacio no está separado del tiempo; más bien que ambos forman una continuidad inseparable Así, el espacio-tiempo se considera ahora como cuatridimensional, es decir, de cuatro dimensiones, no tridimensional, como se creía antes de él Quedó establecido que la masa no es más que una forma de energía Que la relación existente entre energía y masa viene dada por la ecuación que se hizo tan famosa: E = mc2 (que es la única ecuación que citaremos) P

E = energía; m = masa c = la velocidad de la luz que es 300000 km. por segundo Intuitivamente nos damos cuenta de que una cantidad pequeña de masa basta para generar inmensos tornados de energía Ese principio, aplicado a la energía nuclear, dio como resultado la primera bomba atómica…

Por otra parte, intuimos también la gran cantidad de energía que debe participar en el proceso de convertirse en masa -¿puede la energía pura convertirse en masa? Así es; la fórmula y los experimentos lo dicen; también lo percibiremos mejor cuando ingresemos a las interacciones de las partículas subatómicas -profe; ya podemos imaginarnos la cantidad de energía que “Melón Hinchado” produciría con la gran masa que tiene “Melón hinchado” iba a contestar, pero el profe le hizo una señal para que se calmara y empezó una mini disertación, señalando: Nunca olvidemos que el sentido del humor es una característica de las personas inteligentes… ¿se imaginan ustedes a Stalin con sentido del humor?... les citaré una anécdota de Winston Churchill, Premio Nobel de literatura, como prueba de que los grandes hombres tienen sentido del humor Churchill tenía un rival político, Lloyd George; en una ocasión, la Cámara de los Comunes intentaba diseñar el texto de un proyecto de ley La discusión se entreveró cuando debía escogerse una palabra o frase para el cuerpo de la ley: algunos proponían el término “desgracia” Otros decían que bastaba con el vocablo “contratiempo” De inmediato se pusieron a discutir sobre el significado de ambas palabras; en ese instante, Churchill pidió la palabra: Estimados colegas, más que una definición formal del diccionario, voy a dar un ejemplo para hacer patente la diferencia entre ambas palabras Si Lloyd George se cayera al Támesis, ése sería un contratiempo Si alguien lo sacara, ésa sería una desgracia La risa fue general… pero el profe siguió: 15

Las bromas se hacen entre personas que se consideran pares; es muy difícil que un subordinado le haga una broma a su jefe Es más difícil aún que el jefe le juegue una broma a uno de sus empleados, si es que no existe la confianza necesaria entre ellos Hacer una broma es un mensaje que parte del que la hace al que la recibe, el mensaje implícito le dice: “te considero lo suficientemente amigo para hacerte una broma” Así, cuando alguien es objeto de una broma es posible que en algún otro momento, el que la recibió, sea el bromista “Melón Hinchado” le hizo un gesto al bromista, con el que anunciaba que le enviaría un mensaje de amistad en todo el significado de la palabra…

2 La Extraña Curvatura -Buenos días, estimados alumnos -buenos días profe Previo al comienzo de la clase, me gustaría contarles una anécdota que nos servirá para entender las dimensiones en las que nos encontraremos En un pequeño pueblo de un país lejano, había un joven de 17 años que trabajaba en una fábrica de ladrillos a jornada completa; pero no pasaba un día en el que no pensara que podría llegar a “ser alguien”… la idea de “ser alguien” se reforzaba cada vez más, al descubrir el amor que sentía por una chica de 15 años y que sostenía a su madre enferma y a ella misma oficiando de lavandera… a la que sin embargo, nunca se acercó… un día el tren trajo a algunos oficiales de las fuerzas armadas de su país, para anunciar que la coalición a la que pertenecía había declarado la guerra a otro conjunto de países… los oficiales tenían la tarea de reclutar soldados voluntarios para ir a la guerra; el joven se alistó de inmediato; a la hora de partir, se acercó a la jo16

ven lavandera y le pidió que por favor lo acompañara hasta la estación; la joven accedió de muy buena gana, pues ella también se sentía inmensamente atraído por el ladrillero… una vez en la estación, hizo que ella se apoyara en la pared de la oficina del ferrocarril; allí le dijo: Quiero que sepas que me he alistado de voluntario para que en la guerra pueda destacarme y convertirme en alguien; si no muero en el intento y regrese en el mismo tren que ahora me lleva, lo primero que mis ojos verán será este lugar para constatar si estás o no; lucharé con toda mi voluntad y el máximo heroísmo que mis fuerzas me permitan; llevaré a cabo las más peligrosas misiones; no importa cuántas veces me hieran, mientras pueda pulsar un fusil, seguiré en la tarea… si vuelvo de la guerra y te veo en este mismo lugar, sabré que me habrás esperado y te pediré que nos casemos; no lo hago ahora, lo haré cuando sea alguien… ella accedió con un movimiento de cabeza y el joven subió al tren que ya partía… El profe interrumpe el relato, los alumnos, ansiosos, le preguntan: -¿cómo termina el relato profe? Del mismo modo cómo terminan las respuestas de la naturaleza a las preguntas sobre la Física Moderna No sabremos la solución definitiva y tendremos que poner de nuestra parte toda nuestra imaginación y conocimiento para encontrar respuestas Respuestas a las preguntas que se hacen los grandes Físicos, tanto las que se hicieron ayer, como las que se hacen ahora y harán en el futuro -¡ése es un golpe bajo!

Y recibiremos muchos todavía, dado en esta clase abordaremos uno de los asuntos más intrincados de la Física Moderna Me refiero a la propuesta de Einstein en sentido de que el Universo es curvo; sobre esa afirmación es que voy a plantearles la siguiente pregunta: ¿Pueden visualizar, intuitivamente, a qué se debe ese fenómeno y cómo puede percibirse esa curvatura? En el proceso de visualización, el que tenga una propuesta, por más absurda que parezca, la presentará voz alta De esta manera iremos reuniendo un buen conjunto de postulados -para que el universo sea curvo, es preciso que sea limitado, que tenga fronteras que le den esa forma -si el universo es curvo, entonces cada estrella y planeta que lo componen deben ser curvos; por lo tanto, el sol y la Tierra son curvos -si el espacio-tiempo conforman una sola dimensión, entonces debemos pensar que el tiempo también es curvo, algo que sería muy extraño El profe interviene Para una mejor percepción, tomen en cuenta la Ley de la Gravedad, que ustedes aprendieron en la materia de Física Clásica Los alumnos empiezan a desplegar sus ideas -si un objeto pequeño está deambulando por el universo, forzosamente tiene que ingresar al campo de acción de un objeto más grande -el objeto pequeño tiene su recorrido, pero la ley de la gravedad lo atrae hacia la masa del objeto grande, lo que obliga a que cambie su trayectoria y “curvarse” en la dirección del campo gravitacional de la masa grande El Profe les dice que son unos capos y que dentro de poco seguramente estarán ocupando su lugar en la clase… 18

Comparemos los resultados con la opinión del propio Einstein (El data show proyecta las imágenes en la pantalla blanca) En 1915 Einstein declaró que la gravedad hace que el espacio-tiempo sea curvo o doblado alrededor de una masa, que puede ser una estrella 16T

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Einstein explica que la gravedad era algo más que una fuerza 16T

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La gravedad es una curvatura en el continuo espacio-tiempo; una estrella o un planeta causan una especie de “hondonada” en el espacio-tiempo 16T

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Así, que cualquier objeto que se acerca demasiado cae en esa hondonada 16T

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-¿la luz también se curva? La luz está conformada por fotones y sabemos que los fotones no tienen masa, son energía pura 16T

Esa es la razón por la que la luz no se curva en el tiempo-espacio, como lo hacen los elementos que tienen masa 16T

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La Luz Hagamos una analogía con un automóvil que viaja de noche con las luces prendidas, en la figura inferior izquierda; la luz de los faroles siempre apunta en línea recta, pero en el momento en que el automóvil encuentra una curva, el automóvil gira en el sentido de la curva; la luz sigue alumbrando en línea recta, pero se ha desviado 16T

junto con el automóvil, debido a que encontró una curva en el camino, tal como la encuentra en la curvatura en el universo, sólo que sin automóvil Veamos ahora la figura de la derecha; en su parte superior, aparecen dos puntos blancos, que dan la impresión de representar dos estrellas En primera instancia ubicamos la estrella como si estuviera en el punto blanco de la izquierda; pero la estrella está realmente en el punto blanco de la derecha, eso se debe a que la luz de la estrella se hunde en la curva causada por el sol, de allí sale ante nosotros y es así cómo creemos que la vemos en línea recta; además, como dijimos, su luz tarda en llegar a nosotros. La Forma Convencional del Átomo -profe, ¿quién fue el que representó la estructura del átomo? Ernest Ruthford es el que nos legó la estructura de un átomo como un pequeño sistema planetario; descubrió que en lugar de ser las partículas duras y sólidas que se había creído desde la antigüedad, los átomos están compuestos de vastas regiones de espacio en el cual los electrones se mueven alrededor del núcleo, encadenados a él por medio de fuerzas eléctricas; las interacciones entre los átomos dan lugar a las combinaciones, por ejemplo, en la figura de la derecha, la interacción de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, conforman una molécula de agua; lo dijimos ya, las unidades subatómicas, aparecen a veces como partículas y otras veces como ondas, en una naturaleza dual… estos descubrimientos llevaron a la formulación de la teoría cuántica… En la figura siguiente vemos un punto y una onda que se expande Por el momento, nos quedemos con la imagen de que el punto a la izquierda muestra una unidad subatómica como corpúsculo 20

A la derecha, lo muestran como onda, ambas formas ocurren al mismo tiempo, traten de concebir como es esa dualidad partícula-onda Los Cuantos

En 1900 Max Planck declaró que la energía es generada y absorbida de manera discontinua… todo ocurre como si, después de haber emitido un haz de ondas, el átomo se detuviera antes de enviar otro; cada intercambio energético posee una estructura discontinua, variando a saltos, escalonadamente

-¿eso es importante? La idea de Planck habría quedado como hipótesis si Einstein no la hubiera usado mostrar que la luz se comportaba como conjuntos de partículas Al mismo tiempo como ondas; fue él quien denominó “cuantos” a estas pulsaciones discretas, como un aspecto fundamental de la naturaleza Toda la materia subatómica participa de ambos estados, simultáneamente Los "cuantos" de luz, que dieron su nombre a la teoría cuántica, han sido aceptados desde entonces como auténticas partículas Hoy se los conocer como “fotones”, partículas sin masa, sólo energía Además, se descubrió que el número de electrones en los átomos de un elemento, determina las propiedades químicas del mismo -¿quiere decir que de ahí surge la tabla periódica de los elementos? Sí; la Tabla Periódica de los elementos toma como punto de referencia al hidrógeno porque es el átomo más ligero 21

Está compuesto por un protón, un neutrón y un electrón; la Tabla Periódica registra cada elemento en una escala ascendente A medida que los protones, neutrones y electrones se van alejando más y más con relación al hidrógeno

La teoría cuántica ha revelado que a medida que penetramos en la materia, la naturaleza no nos muestra ningún "ladrillo básico" aislado, sino que aparece como una complicada telaraña de relaciones existentes entre las diversas partes del conjunto Por otra parte, las observaciones han puesto en evidencia que las partículas subatómicas no tienen ningún significado como entidades aisladas Sólo pueden entenderse como interconexiones -entonces no se pude saber que hacen las partículas subatómicas en su tarea de estructurar el átomo Los sucesos atómicos muestran "tendencias a ocurrir algo" Estas tendencias se expresan como probabilidades y están relacionadas con ecuaciones matemáticas Nunca se puede predecir un suceso atómico con certeza; sólo que es probable que ocurra Por ejemplo, en el modelo real de la siguiente figura, los electrones no se encuentran allí donde creemos que los vemos Pero los físicos teóricos pueden establecer una probabilidad de que estén ahí, de acuerdo con las ecuaciones matemáticas 22

Ya lo dijo Galileo: sólo las matemáticas conocen y describen el Universo Estas relaciones, dicen los sabios, siempre incluyen al observador Las propiedades del mundo atómico pueden ser comprendidas sólo en términos de la interacción entre el objeto observado y el observador -¿querría decir que la participación del observador modifica el comportamiento de las partículas atómicas, cuando las “ubica” en un experimento? Exactamente; acudiremos a un trío de versos para mostrar esa relación: Antonio Machado, uno de los grandes poetas españoles dice: El ojo que ves no es ojo porque lo veas es ojo porque te ve Por mi parte, y con el permiso previo de la memoria de Machado, para el asunto que nos ocupa ahora cambio algo de los versos originales: El ojo que ves, no es ojo porque lo veas Es ojo porque lo ves y porque te ve Con esta pequeña modificación de los versos de Machado, tengo la intención de establecer la relación entre el objeto observado y el observador La separación cartesiana entre “yo y el mundo”, entre el observador y lo observado, no se realiza cuando se trata con la materia atómica. El Átomo El diámetro de un átomo es la cienmillonésima parte de un centímetro

Con el fin de visualizar ese tamaño, imaginemos una naranja que crece hasta alcanzar el tamaño de la Tierra Los átomos tendrían entonces el tamaño de las cerezas Para que el núcleo pueda ser visto, el átomo, que ya tiene el tamaño de una cereza, tendría que crecer aún más, hasta el tamaño de la cúpula de la catedral de San Pedro El núcleo vendría a ser como un grano de sal, y los electrones, motas de polvo, girando a su alrededor, dentro del mismo espacio de la cúpula Ruthford dijo que había un gran vacío en el átomo por las enormes distancias relativas entre el núcleo y el electrón Otro gran físico, Max von Laue preguntó: Pero si todos los objetos que nos rodean, y nosotros mismos, estamos en nuestra mayor parte formados por espacio vacío ¿Qué es lo que da a la materia su solidez? El electrón El electrón fue descubierto en el año 1897 Joseph John Thomson determina que los rayos catódicos, observados en tubos vacíos bajo alto voltaje, son “cuerpos negativamente cargados” Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, hechos de cristal, como en los aparatos antiguos de TV Se equipan por lo menos con dos electrodos, un electrodo positivo, llamado ánodo y un electrodo negativo llamado cátodo Ahora se sabe que los rayos catódicos están formados por los portadores reales de la electricidad, a los que ahora conocemos como electrones 24

Ernest Rutherford

Max von Laue

Joseph John Thomson

El Electrodo Un electrodo en una celda electroquímica que implica la existencia de ánodos y cátodos; cada uno con características interactuantes Cada electrodo puede convertirse en ánodo o cátodo dependiendo del voltaje que se aplique a la celda Los Cuantos Dijimos que Max Planck, en 1900, propone el quantum de energía Para explicar el calor de la materia incandescente, asumió que la emisión y absorción de radiación ocurre en cantidades discretas de energía En ese momento se inicia de la teoría cuántica de la materia y la luz, que, junto a la Teoría de la Relatividad, será el objeto de nuestros estudios En el tiempo que aún nos queda en la presente clase, me gustaría establecer algunas percepciones Sabido es que el cerebro tiene dos hemisferios y que el izquierdo preferentemente controla la comprensión y expresión desde la lógica Las matemáticas, la lógica, las ciencias naturales, entre ellas la materia que desarrollamos en este curso, requieren del hemisferio izquierdo Participan de una manera expresiva en la que lo importante es el significado de cada palabra, no la estética, lo que nos parece muy adecuado 25

Sin embargo, de vez en cuando dejemos que el hemisferio derecho despliegue sus propiedades y nos solacemos con la belleza de la palaba El hemisferio derecho es el que controla la creatividad, el gusto por las artes, por el poema, la música… Es cuando acudimos al pensamiento metafórico Cuando leemos algo cuyo contenido es adecuado bajo una forma expresiva con estética, nos damos cuenta de que la palabra es bella, no sólo útil Al respecto, voy a contarles otra pequeña anécdota

Un grupo de amigos, reunidos en una cafetería, comentaban sobre el progresivo deterioro de nuestro idioma a través del siguiente diálogo -la mayor parte de la gente ha perdido el placer de hablar; lo único que desea es usar la palabra como un simple medio de información sobre algo -el arte de conversar ha sido diluido en el acto de comunicar sensaciones, en intercambios insípidos de palabras desmanteladas y solitarias de calor humano -más nos valdría tener una pinza en los labios que advocar el privilegio de expresarnos en palabras que estructuren un pensamiento ordenado -lejos quedan los tiempos en que Esopo explicaba que la lengua era lo mejor y lo peor que tenía el ser humano -cuando su patrón le mandó al mercado para que comprara “lo mejor que había allí” Esopo trajo grandes cantidades de lengua -el primer plato fue cocinado usando como ingrediente principal, la lengua; lo mismo sucedió con el segundo, el tercero… de los platos -el patrón de Esopo no pudo aguantar más y lo increpó duramente delante de los invitados que miraban extrañados la escena; Esopo responde: ¿No me pediste que trajera del mercado lo mejor que pudiera encontrar? Pues tus deseos han sido cumplidos; ¿acaso no usamos la lengua para dar buenas noticias a nuestros conocidos? ¿No la utilizamos para ofrecerles 26

prueba de lealtad y de cariño? ¿No damos consuelo a los desconsolados; esperanza a quienes la han perdido y muestras de bondad que pone de luto al mismo diablo? La lengua es el símbolo de lo mejor que existe en el mercado -todos los comensales estuvieron de acuerdo con las reflexiones de Esopo; pero el patrón tuvo una idea, le pidió que para el día siguiente prepara los platos con lo peor que encontrara en el mercado -al día siguiente el menú fue el mismo que el anterior; el patrón de Esopo perdió la compostura y lo amonestó con palabras muy duras -Esopo respondió de inmediato: Me pediste que cocinara con lo peor que pudiera encontrar en el mercado y así lo hice; ¿no es acaso con la lengua que mentimos y deformamos la verdad? ¿No es el arma terrible que usamos para urdir la calumnia? ¿No la usamos para pincelar la ofensa más grave contra alguna víctima?... la lengua, señor, es lo mejor y lo peor que podemos encontrar en el mercado Fue entonces que los amigos decidieron crear una institución que reivindicara el poder y la belleza de la expresión verbal: el Club de la Palabra. A partir de entonces, cada miembro del club tuvo algo que decir ¿Les parece bien que en cada clase traiga también un retazo de la palabra que nos brinda placer estético y no sólo información? -sí, pero también los enigmas del pensamiento lateral -es una gran cosa que el pensamiento lateral les haya caído bien, pues nos ayudará a comprender mejor las respuestas, a veces absurdas, que tiene la naturaleza cuando los físicos les hacen preguntas En la clase siguiente, el profesor empezó con algunos ejemplos de pensamiento lateral, aclarando que los copió de Internet El caso del Edificio de veinte pisos Un niño cae de un edificio de 20 pisos, que está rodeado de un frondoso jardín, pero no sufre daños considerables, ¿por qué? 27

-cae en una piscina -cae encima de una pila de colchones de espuma -tiene un paracaídas -sabe planear -un remolino de aire suaviza significativamente el impacto -un vaquero de Texas, que se encuentra en un helicóptero que pasa por el lugar, lo enlaza y lo deposita suavemente sobre el suelo -Superman lo detiene como a Louise en la película -un hombre, con un gran poder mental, hace uso de sus poderes y logra que la caída sea en cámara lenta -una avispa gigante lo recibe en su espalda y la deposita después sobre el suelo Tal vez estemos percibiendo el hecho desde un solo ángulo; es posible que encontremos otro ángulo perceptivo -por ejemplo, que el edificio sea de juguete -que sea una maqueta a escala -también podemos estar asumiendo, falsamente, que el niño cayó del piso 20, pues el planteamiento sólo dice que el niño cayó de un edificio de 20 pisos, pero que no lo hizo necesariamente del piso número 20 -si los daños que sufrió son leves, es posible afirmar que cayó del primer piso del edificio, encima de una parcela de césped húmedo Muy bien estimados alumnos; han hecho uso del pensamiento lateral para llegar a la conclusión lógica del resultado; creo que dentro de poco yo me sentaré a escuchar la clase impartida por cualquiera de ustedes -¡vamos profe! no se burle de nosotros; además hay otras alternativas a tomar en cuenta; por ejemplo, si “Melón Hinchado”, hubiera caído del piso 20, habría rebotado varias veces sin consecuencias graves La mirada de Melón Hinchado puso fin a todo intento de continuar con el ejemplo

CONCEPTOS BÁSICOS En esta clase resumiremos algunos conceptos que serán explicados en mayor detalle en los capítulos correspondientes Pregunten sobre temas que tengan que ver con la física ¿Qué es la gravitación universal? La gravitación es la fuerza de atracción mutua que experimentan los cuerpos en el macrocosmos, por el hecho de tener volúmenes enormes de masa Esta fuerza fue identificada por Isaac Newton en el siglo XVII, a la par que desarrolló las matemáticas para mostrar la vigencia de la Ley Newton resolvió aspectos relativos a la luz y a la óptica; formuló las leyes del movimiento y dedujo, de ellas, la ley de la gravitación universal La Ley establece que la fuerza de atracción que experimentan dos cuerpos depende de dos condiciones: Primera: la magnitud de sus masas; mientras mayor el volumen de un cuerpo, mayor será la fuerza con que atraerá a otros cuerpos de menor masa Segunda: la fuerza gravitacional se reduce cuando la distancia entre ambos objetos estelares aumenta ¿Qué es velocidad y qué es aceleración?

Cuando dejamos caer un objeto en nuestro planeta, la velocidad con la que cae aumenta a medida que la altura es mayor Velocidad; mide el tiempo en que un cuerpo cambia su posición Aceleración: mide cómo varía la velocidad Las fuerzas gravitacionales Cuando un objeto estelar está en órbita con otro mayor, hay dos fuerzas que actúan al mismo tiempo sobre ese objeto Se denomina fuerza centrípeta la que emerge del objeto de mayor masa con relación al otro más ligero, para atraerlo Por su lado, el objeto en órbita tiende a liberarse de la fuerza centrípeta mediante la fuerza centrífuga Cuando esas dos fuerzas se equilibran, el objeto de menor masa rota en una órbita alrededor del objeto de mayor masa

¿Cuál es el concepto básico de Ley de la Relatividad?

El ejemplo más común para percibir el fundamento principal que sustenta la Ley de la Relatividad es el siguiente Un hombre está encima de un vagón de un tren, el que rueda a 50 k/hora; supongamos también que lanza un objeto que va a 20 k/hora Si el objeto ha sido arrojado a la misma dirección del tren, es decir, hacia adelante, habrá dos percepciones diferentes Para la persona que arrojó el objeto desde el tren en movimiento, el objeto habrá sido impulsado con una velocidad de 20 k/hora 30

Para la persona que vio el fenómeno desde la estación, la velocidad del tren se suma a la velocidad del objeto arrojado De esta manera, para el observador, el objeto se moverá a 70 k/hora Einstein afirmó que no se puede hablar de la velocidad del objeto aislado; lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular Cualquier teoría del movimiento que tome en cuenta al observador estará dentro del concepto de relatividad Pero, Albert Einstein demostró que, si la velocidad de todos los cuerpos es relativa, la velocidad de la luz es absoluta; nunca cambia ¿Cuáles son las Fuerzas Fundamentales del Universo? Son aquellas cuya explicación no se basa en la existencia de otras fuerzas básicas En apariencia, son fuerzas independientes Cuatro son las fuerzas fundamentales del universo: la fuerza de la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil La fuerza gravitatoria Es la fuerza de atracción que un objeto de masa mayor ejerce sobre otro, de masa menor y afecta a todos los cuerpos La fuerza electromagnética Es la que irradian los cuerpos cargados con electricidad y magnetismo; tiene dos sentidos, positivo y negativo; su rango de alcance es muy amplio La fuerza nuclear fuerte Es la que mantiene unidos las partículas de los núcleos atómicos; actúa indistintamente entre dos nucleones: protones o neutrones Su rango se limita a las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética 31

La fuerza o interacción nuclear débil Es la responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva y de la radioactividad Los científicos intentan demostrar que estas fuerzas, aparentemente diferentes, son manifestaciones de un modo único de interacción ¿Cuál es la paradoja de Schrödinger? La propuso Erwin Schrödinger en 1935; es un experimento virtual que muestra lo desconcertante que es el mundo de las partículas Visualicemos un gato dentro de una caja negra En su interior se instala un mecanismo que une un detector de electrones a un martillo; debajo del martillo hay un frasco con una dosis letal de veneno Cuando el electrón es lanzado pueden suceder dos cosas Primero, que el detector capte el electrón y active el mecanismo En ese caso, el martillo cae, rompe el frasco y el veneno se expande por el interior de la caja; el gato lo inhala y muere Al abrir la caja, se encontrará al gato muerto ¡Pobre gatito! Pero el electrón puede tomar otro camino y el detector no captarlo, con lo que el mecanismo no se activará, el frasco no se romperá y el gato vivirá Esta paradoja se debe a una característica del electrón que vimos en el primer capítulo: el electrón es al mismo tiempo onda y partícula Cuando se lo lanza, es una partícula y una onda al mismo tiempo 32

La paradoja estriba en que el electrón será detectado y el gato morirá; al mismo tiempo, el electrón no será detectado y el gato seguirá vivo A escala atómica, ambas probabilidades se cumplen de forma simultánea En el mundo cuántico, el gato acaba vivo y muerto a la vez; ambos estados son igual de reales; pero, al abrir la caja, lo vemos vivo o muerto Hay un 50% de probabilidades de que suceda una cosa o la otra; sin embargo, la cuántica desafía el sentido común de cualquier persona -si las probabilidades de que ocurran los dos fenómenos al mismo tiempo, ¿por qué sólo vemos únicamente una? La explicación es que el experimento aplica las leyes cuánticas, pero el gato no es parte de un sistema cuántico Recordemos que la cuántica nos instruye sobre el hecho de que el observador contamina el experimento y define una realidad diferente ¿Por qué vemos el cielo azul? Por los efectos conocidos como de Rayleigh Mie; vemos el cielo azul, algunos atardeceres rojos y también días grises Rayleigh y Mie se ocuparon de la dispersión de la luz La luz solar es una radiación electromagnética compuesta por distintas longitudes de onda, como veremos después Nuestro ojo capta sólo la parte de luz que corresponde a determinadas frecuencias de longitud de onda La luz blanca es la suma de todas las longitudes de onda que percibimos. Cada color es una longitud de onda; siguen el orden del arco iris: el color rojo tiene la longitud de onda más larga, y el violeta la más corta 33

L A

En el ejemplo anterior, vemos una onda; L es la distancia entre las cimas de la onda y se le da el nombre de la longitud de onda La letra A es la distancia vertical y representa la frecuencia En un capítulo siguiente nos referiremos a este aspecto con mayor detalle Por otro lado, la dispersión de la luz es su descomposición en colores Las longitudes de onda toman ángulos distintos y los colores se separan Cuando la luz solar entra en contacto con la atmósfera, se dispersa Nuestra atmósfera está formada por partículas pequeñas, y el grado de humedad favorece la mayor difusión de unos colores frente a otros Efecto Rayleigh La luz es una forma de radiación, es decir, de energía; al chocar con las partículas pequeñas de la atmósfera produce el efecto Rayleigh Parte de la energía de la colisión se transfiere a estas partículas, que vibran y difunden la luz en todas direcciones; por eso la luz llena el cielo Fuera de la atmósfera el cielo es oscuro, aunque llegue la luz del Sol y las ondas cortas son las que tienen mayor difusión Es decir, las violetas y azules Como la luz blanca contiene mayor cantidad de luz azul que violeta, predomina el azul; además, nuestro ojo es más receptivo al azul 34

Vemos el Sol amarillo porque ya hemos restado el color azul a la blanca Y, cuando el sol está alto, el amarillo prevalece sobre el rojo porque su longitud de onda es más corta Dispersión de Mie Al atardecer el Sol está bajo; las ondas recorren un camino más largo a través de la atmósfera Así, los colores de longitud de onda corta se pierden y las de onda larga se hacen más visibles; por eso se difunden los colores rojizos Cuando la atmósfera está muy cargada y las nubes son espesas, el efecto Mie se acentúa y favorece los colores grises Es por eso que el efecto Mie domina la atmósfera de Marte El cielo de Marte no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo ¿Qué es lo que Newton hizo con un prisma y un agujero en una puerta? Antes que Newton, Descartes ya intentó descomponer la luz, pero sólo logró obtener los colores rojo y azul Newton empleó un par de prismas de vidrio para descomponer la luz, como una réplica del arco iris cuando llueve Los prismas reemplazan a las gotas de lluvia El experimente se realizó en cuarto totalmente oscuro; sólo a través de un agujero en la ventana entraba un rayo de luz solar Colocó el prisma de vidrio delante del rayo de luz, de modo que lo atravesara y reflejara la luz en la pared opuesta, a 7 metros de distancia En la pared aparecieron los colores del arco iris; el fenómeno podría deberse a una de dos posibilidades 35

O bien el prisma daba color a la luz, o la luz era la mezcla de todos los colores y el prisma se limitaba a descomponerla Para comprobarlo, utilizó el segundo prisma y confirmó lo que había encontrado con el primero Comprobó que los colores del arco iris eran colores puros, mientras que la luz blanca resultaba como síntesis de todos ellos El prisma no añadía ninguna cualidad a la luz, sino que la descomponía Al proyectar los colores y juntarlos de nuevo, la luz volvía a ser blanca Newton logró descomponer la luz solar, pero siguió sin saber porqué Explicación y Pronóstico Los expertos en metodología de la ciencia discrepan, entre otras cosas, sobre la necesidad de que una ley explique y pronostique un fenómeno Sin embargo, hay leyes muy importantes que no cumplen con ambos requisitos simultáneamente y, no por ello, dejan de tener vigencia Tomemos la Ley de la Selección Natural de Darwin; la teoría explica perfectamente cómo “los mejores sobreviven” y los demás desaparecen Sin embargo, no puede pronosticar sobre lo que sucederá en el futuro: ¿aparecerá otra especie? Si apareciera ¿cuáles serían sus características? Este es un caso de una ley que puede explicar, pero no pronosticar Ahora tomemos el caso inverso La Ley de la Gravitación de Newton no puede explicar por qué los cuerpos se atraen unos a los otros, pero puede pronosticar 36

En efecto, puede decirnos que dos cuerpos se atraerán y estarán en equilibrio, dependiendo de sus masas y la distancia que los separa Los colores Volviendo al porqué de la descomposición de la luz, recordemos que en las épocas de Newton aún no se conocía la naturaleza ondulatoria de la luz Al presente sí se la conoce: los colores son ondas, y cada uno tiene una longitud de onda propia y diferente En la parte izquierda del siguiente diagrama tenemos una onda que corresponde al color violeta; en la derecha, a una que estructura el color rojo Las longitudes de onda (las distancias entre cimas) son más largas cuanto más se acercan al rojo, y más cortas cuando se tiende hacia el violeta

Pero, la frecuencia de la luz violeta es mayor que la luz roja; esto es, la luz violeta tiene longitudes menores y frecuencias mayores En el experimento de Newton, cuando la luz blanca entra en el prisma, cada color toma un camino distinto y lo atraviesa a distinta velocidad Salen reflejados con distinto ángulo; es el mismo proceso que forma el arco iris; las gotas de agua actúan como el prisma La luz solar se refleja en la cara interna de las gotas de lluvia y se descompone en colores; aquí terminamos la clase En la siguiente clase, lo primero que los alumnos preguntaron, fue: -profe, ¿hay algún otro acertijo que exija el pensamiento lateral? -sí; aquí viene 37

Deja una sola huella desde el comienzo hasta la llegada -el suspiro de una ballena -una guerra de meteoritos -la mordida de un cocodrilo -las aguas del pantano -tiene que ser algo continuo a través de una trayectoria -se supone que deja una huella desde el comienzo hasta la llegada -puede ser un río -pero vemos sólo el río, nunca la huella que deja -la luz del sol -un automóvil -pero deja cuatro huellas -¡una rueda! deja la misma huella desde que parte hasta que llega Lo hicieron otra vez -profe, falta el ejemplo de la palabra Las diferentes formas del español que hablamos en Latinoamérica derivan del castellano; hay un haz de lenguas que rumorean en sonidos parecidos: Español, francés, italiano, portugués y rumano; todas, conocidas como lenguas latinas, porque tienen el mismo origen El origen de nuestra lengua no es de gran alcurnia, es cierto, pero sí de siglos engarzados en la chispa feliz de los sones que forjan la palabra Nuestra lengua es un flujo de cadencias y de ritmos, ya de cristal, ya de cuarzo, con el que el alma entona las vivencias del día a día Los sonidos de nuestra lengua no nacieron con voluntad propia, pues el latín vulgar les adosó los eslabones acústicos primeros Pero supo convertirse en el núcleo vibrante, alrededor del cual empezaron a girar las ondas resonantes de otras lenguas

La energía germana nos dejó los ruidos de sables y de lanzas; de yelmos y de escudos; de tambores que pulsan los aires con mensajes bravíos Los árabes, señores del conocimiento de la época, pincelan la “j” en nuestras expresiones de calibre único en las lenguas romances o latinas El español es la única lengua romance que conserva la “j” tal como la dejaron los árabes, a diferencia de las demás que gustan la inflexión más tierna Nuestra “j” es fuerte, viril y áspera; es el jade junto al junco; la jabalina que persigue al jabalí; la jácara que diseña la jaca; es el jergón y el jacarandá Las otras lenguas imitan la “j” francesa, dulce, cadencia de cadencias El español de Latinoamérica, al igual que el castellano, tiene la virtud de hacer de la palabra verbal el clon magnífico del vocablo escrito Cada una de las vocales a, e, i, o, u siempre mantienen su espectro audible; no hay combinaciones extrañas que cambien su refracción de armonía Inclusive, cuando el contexto lo requiere, aprovechamos sus giros espontáneos; v.g, en vez de diccionario: paralelepípedo lexicográfico del idioma Podemos ampliar la escala de nuestra lengua, de acuerdo con el entorno, pero no tenemos el derecho de caricaturizarlo como hacemos ahora No claudiquemos en la tarea de leer las obras de quienes han cincelado el Idioma, pero no lo hagamos con el objeto de imitar el lenguaje Más bien con la intención de saborear cada palabra en el momento en que la pronuncien, con el talento de un catador eximio de ritmos verbales Así, nos convirtamos en personas que conocen el delicado o el recio sabor de cada vocablo en el contexto que el vocablo mismo conforma.

OTROS CONCEPTOS En 1689, Newton quiso demostrar que el espacio “era algo” a lo que denominó "espacio absoluto"; lo explicaremos con un ejemplo de Internet Llenó un cubo de agua, lo ató a una cuerda y lo colgó de una barra fija; retorció la cuerda al máximo, y la soltó

El cubo comenzó a girar, cada vez más rápido. Durante unos momentos (1) el agua sigue en reposo; gira con el cubo, pero no con respecto al cubo No tiene movimiento independiente y su superficie permanece plana. Luego el movimiento del cubo se transfiere al agua (2) que comienza a girar, forma un remolino y su superficie se vuelve cóncava. ¿Por qué? Porque la fuerza del giro empuja el agua contra las paredes del cubo, como cuando la montaña rusa toma una curva y sentimos el empuje hacia fuera Luego el cubo frena (3), pero el agua sigue cóncava y girando por unos instantes más; cuando el agua frena (4) su superficie vuelve a ser plana. El razonamiento de Newton fue el siguiente: El movimiento sólo existe con respecto a algo 40

El agua no se mueve con respecto al cubo, dice Newton; sus tiempos no coinciden: cuando el cubo ya se mueve, el agua aún no Cando el cubo ya se ha parado, el agua sigue moviéndose Sabemos que se mueve porque su superficie cambia de forma, siente la fuerza del movimiento; entonces, ¿con respecto a qué se mueve? Para Newton, el agua se mueve con respecto al espacio absoluto Si el espacio no fuera nada, no habría referencia para el movimiento y, por tanto, no habría movimiento El espacio absoluto sería la referencia absoluta del movimiento; la prueba de que es "algo" en reposo absoluto. Todas las leyes del movimiento y la gravitación de Newton se basan en su idea de espacio absoluto Otros como Huygens, Leibniz, Mach y Einstein lo niegan Leibniz compara al espacio con el abecedario El abecedario sería el espacio y las letras la materia; sin letras, el abecedario no es nada, no existe El movimiento sería relativo y sólo existe en relación a la materia; si no hubiera materia en el espacio, tampoco existiría el movimiento

¿Qué dice Einstein sobre el movimiento absoluto, profe? Einstein negó el movimiento y reposo absolutos; todo es relativo; unificó espacio y tiempo, el espacio ya no sería algo independiente ni inmóvil La velocidad de la luz es una constante en la Naturaleza, y también un límite hasta ahora infranqueable. 41

Estas casualidades confirmaron a Einstein en su creencia de que todo en la Naturaleza está relacionado, y que existe una teoría del todo Tema que también abordaremos en otro capítulo ¿Y qué es una Estrella?

Una estrella es un enorme objeto de gas muy caliente y brillante; produce su luz y energía mediante un proceso llamado fusión nuclear La fusión sucede cuando los elementos más ligeros, por la interacción, se transforman e elementos más pesados; lo veremos en otro capítulo Cuando esto sucede, se crea una inmensa cantidad de energía, lo que causa, a su vez, que la estrella se caliente y brille A las estrellas se les encuentra en una variedad de tamaños y colores Nuestro Sol es una estrella amarillenta de tamaño promedio Las estrellas que son más pequeñas que nuestro Sol son rojizas y las que son más grandes que éste, son azules En uno de los últimos capítulos hablaremos de la fusión y de la fisión ¿Qué es un planeta? Todo cuerpo celeste que gira alrededor de una estrella, no tiene luz propia y refleja la que recibe de la estrella La Tierra es un planeta, lo mismo ocurre con los otros planetas restantes de nuestro Sistema Solar Todos giran alrededor de una estrella en común, el sol, sin que se produzcan choques o invasiones orbitales 42

¿Cuántos planetas tiene e Sistema Solar? Hasta no hace mucho, el número de los planetas era nueve 29T

Pero el 24 de agosto de 2006, la Unión Astronómica Internacional decidiera clasificar a Plutón como un plutoide 8T

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Lo excluyó de la lista de planetas del Sistema Solar; así el Sistema solar tiene 8 planetas 29T

Satélite Un cuerpo que gira en torno a un planeta Quásar Es una fuente astronómica de energía electromagnética que incluye luz visible y puede liberar mucha energía Los físicos dicen que la energía que liberan sería más o menos igual a la de cientos de galaxias medianas La luz producida sería equivalente a la de un billón de soles Los quásares pueden ser vistos sólo por telescopios muy potentes, inclusive a una distancia de 2.440 millones de años luz Es uno de los objetos más lejanos que se pueden observar directamente Una Supernova es la muerte o explosión de una estrella cuya masa es, por lo menos, ocho veces mayor a la del Sol 29T

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El proceso empieza cuando una de esas estrellas agota su combustible nuclear, por lo que carece de energía para soportar su masa Sus núcleos explotan hacia adentro y forman una estrella de neutrones Si la masa es suficiente, podría convertirse en un agujero negro 29T

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La explosión de una supernova es un fenómeno raro; se estima que que cada galaxia produce, en promedio, una supernova cada seis siglos ¿Estrellas enanas? Hay dos clases de estrellas enanas 49T

La enana blanca es lo que resta de lo que alguna vez fue una estrella de masa menor a nueve masas solares 49T

Emerge cuando la estrella de masa menor a 9 masas solares agota su combustible nuclear; ya no produce energía y se apaga poco a poco 49T

La enana roja es una estrella de masa menor, sus procesos de generación de energía son muy lentos, lo que también hace que produzcan poca luz 49T

A diferencia de la enana blanca, la enana roja aún genera energía 49T

Las enanas blancas son, junto a las enanas rojas, las estrellas más abundantes en el universo ¿Qué son los Pulsares? Un púlsar es una estrella de neutrones que emite radiación periódica Los pulsares poseen un intenso campo magnético que induce la emisión de estos pulsos de radiación electromagnética a intervalos regulares La exactitud del tiempo en que se realiza un pulsar para dar lugar a otro ha hecho que sean usados para calibrar relojes de precisión En el aire, los átomos colisionan entre sí millones de veces por segundo y, sin embargo, después de cada colisión vuelven a su forma original Un átomo de oxígeno siempre seguirá con su configuración característica de electrones, sin importar las veces que colisione con otros átomos

-eso es algo que, como usted dice, demuestra la extraordinaria mecánica de los átomos Así es; la teoría cuántica ha demostrado que todas estas propiedades de los

átomos son consecuencia de la naturaleza ondular de sus electrones

Para empezar, el aspecto sólido de la materia es producto de lo que los físicos denominan un típico "efecto cuántico" Efecto que está relacionado con el estado onda-partícula de la materia Los electrones están ligados al núcleo mediante interacciones eléctricas que tratan de mantenerlos tan cerca del núcleo como sea posible Pero, en su afán de “escapar de ese confinamiento” los electrones responden con una fuerza que tiende a distanciarlos del núcleo La interacción de ambas fuerzas, hace que el electrón gire a velocidades que oscilan alrededor de 700 kilómetros por segundo Estas altas velocidades se expresan ante nuestro conocimiento como si el átomo fuera una esfera rígida Del mismo modo que la hélice de un avión que, al girar rápidamente, se muestra como un disco sólido

Pero la estructura del átomo no es la de un pequeño sistema planetario, al estilo de lo que pensaba Ruthford

Para tratar de visualizar la verdadera estructura, en vez de partículas que giran alrededor del núcleo, imaginemos ondas de probabilidad; esas ondas están ordenadas en diferentes órbitas 45

¿Cómo se determinan esas “ondas de probabilidad, profe? Esas “ondas de probabilidad” son establecidas por las ecuaciones que desarrollan los físicos teóricos Nosotros no nos metemos con las demostraciones teóricas; sólo damos por sentado que saben lo que hacen y repetimos los resultados -¿eso quiere decir que sólo usando la teoría de probabilidades se puede establecer la posición de un electrón? Sí; es posible encontrar a los electrones en alguna parte de estas órbitas, pero no se puede decir que estén "girando alrededor del núcleo" Los electrones se establecen en órbitas y el equilibrio se logra entre la atracción que sobre ellos ejerce el núcleo y su resistencia a ser confinados Dicen que el átomo tiene varios estados; ¿podríamos tener un ejemplo?

Sí; las ondas de electrones están ordenadas; el electrón de un átomo de hidrógeno, por ejemplo, sólo podrá existir en una cierta órbita En condiciones normales, estará siempre en su órbita más baja, llamada el “estado elemental” del átomo Pero, el electrón puede saltar a órbitas más elevadas si recibe la cantidad necesaria de energía, entonces estará en un "estado excitado" Desde ese estado volverá a su estado elemental -¿habrá algún efecto en el electrón, luego de este proceso? 46

Sí, hay; la interacción que sufrió el electrón ante una influencia que excitó al átomo, produjo una energía extra que crea un fotón Lo veremos más adelante, esta clase de interacciones crea y destruye partículas, pero este cambio no altera las propiedades de la partícula Profe; he escuchado que hay lo que se llaman “números cuánticos” ¿podría explicarnos que son?

Indican la localización y el perfil de las órbitas de los electrones

-¿…? El primer número cuántico es el número de la órbita y determina la energía que un electrón debe tener para estar en esa órbita Los otros dos miden la velocidad y la orientación de rotación del electrón La fuerza básica que origina los fenómenos atómicos es la fuerza de atracción eléctrica que existe en la estructura del electrón Esto es, el núcleo atómico cargado positivamente, y los electrones, cargados negativamente Para conocer “la naturaleza de la materia” es imperativo conocer los núcleos atómicos, pues ellos contienen casi toda la masa del átomo… Alrededor de 1930, los físicos se enfrascaron en comprender la estructura de los núcleos y las fuerzas que los mantienen sólidos En esa búsqueda encontraron que aparte del protón existía el neutrón -¿por qué se llama “neutrón, profe? Porque es una partícula que no lleva carga eléctrica

Tiene casi la misma masa que el protón o sea alrededor de dos mil veces mayor que la del electrón Este descubrimiento mostró que los núcleos de todos los elementos químicos estaban constituidos de protones y neutrones También reveló que la fuerza nuclear, que conserva estas partículas firmemente unidas dentro del núcleo, era un fenómeno aún no conocido Pues no podía ser de origen electromagnético, dado que los neutrones son eléctricamente neutros… veamos la estructura de un átomo

Yo soy el átomo; mi núcleo es unas cien mil veces más pequeño que yo, pero contiene casi toda mi masa; los electrones se mueven alrededor de mi núcleo a unos 50.000 kilómetros por segundo; así, la materia de mi núcleo es diferente de cualquier otra en el macrocosmo

Cuando mis “nucleones” (protones y neutrones) se acercan demasiado entre sí, la fuerza que despliegan hace que no continúen acercándose más; así se mantiene el equilibrio en mi núcleo

Nosotros somos los electrones, constituimos sólo una pequeñísima fracción de la masa total, pero somos quienes dan a la materia su aspecto sólido y le proporcionamos los vínculos para construir las estructuras moleculares 48

-profe; falta el acertijo y la belleza de la palabra Vayamos primero con el acertijo: Es negro, pero surge del color y se pierde en la nada -el negro es la ausencia del color, pero el que nos propone surge, precisamente, del color -pero la fuente de donde proviene sí, tiene color -además, se pierde en la nada, como si fuera una especie de niebla negra -¡el humo! sí, el humo, es negro, proviene del fuego que es de color y se pierde en la nada Ustedes son imbatibles Va un ejemplo sobre la estética de la palabra desde la literatura; al igual que el lenguaje cuántico, la literatura tiene su propia palabra

Hay un ritmo emocional cuando os siento en mí; en vivencias que aristan sus propias rapsodias; en flexos celestes que hilvanan una gama en un arpegio En pálpitos que nacen como los copos, que danzan el compás puro Estáis en mí todos vosotros; os llevo como un sentimiento ¡Abrevadme! ¡Abrevadme! No dejéis de ser en el flexo lila-verde Os siento en partida; la gama desaira el arpegio; ¡No os vayáis! Que no es de la verdadera rosa dejar, por hirientes, sus espinos Soy vosotros en las rapsodias de flexos celestes; en las irradiaciones del alma en los hilvanes que arpegian En el amor de la especie por las especies, de las razas por las razas; del Ser por los seres: soy un arpegio en gama 49

Yo sé lo que sentís; siento cada uno de vuestros sentires: el arpegio apaga la gama; la gama amaga su daga Sólo siendo en vosotros soy yo, pero sé que vosotros no necesitáis de mí para ser, excepto para saber lo que debéis ser por vuestra Voluntad de Ser El flexo busca el nexo: ¡No os vayáis cobardes! Encontrad en mí el disolvente de las antinomias fatales (En ese instante, una alumna pidió la palabra) -Profe, usted tenía razón: la literatura tiene su propio lenguaje, tal como lo tiene el mundo de la relatividad-cuántica; sin embargo, ambos lenguajes nos emocionan: el relativo-cuántico, porque descorre cortinas vedadas por miles de años; el literario, porque descubrimos no el pálpito del átomo, sino el del alma. (El profesor se sintió verdaderamente conmovido)

NUEVOS CONCEPTOS Empezaremos definiendo lo que los físicos consideran una partícula elemental: es la partícula que se supone es la última en una estructura Pero, debido al constante descubrimientos de nuevas “partículas elementales” los físicos estiman que ya no pueden llamarse “partículas elementales -¿cuál es, más o menos, número de partículas subatómicas que se conoce? Ese número aumentó de tres a seis en 1935, después a dieciocho en 1955, y hoy día se conocen más de doscientas partículas "elementales” ¿Bautizaron de otra manera a las partículas elementales? Sí; cambiaron el nombre por el de partículas subatómicas… este nuevo concepto de las partículas fue iniciado por Paul Dirac quien formuló una ecuación que describía el comportamiento de los electrones Predijo la existencia de un antielectrón con la misma masa que el electrón, pero con una carga positiva: el positrón De allí nació lo que ahora conocemos como la antipartícula o la antimateria -yo creí que eso de antimateria y demás era sólo para las películas de ciencia-ficción Al respecto podemos decir que ese futuro ya está aquí Los físicos determinaron que una teoría completa sobre los fenómenos nucleares no debería incluir solamente la teoría cuántica 51

Dijeron que era necesario incluir la teoría de la relatividad, dado que las partículas subatómicas, se mueven casi a la velocidad de la luz -¿qué es la simetría, jefe? -es una particularidad de la materia por la que un sistema, luego de una interacción con otros, mantiene las mismas propiedades que tenía originalmente Ejemplo; un trompo al ser lanzado para que gire sobre su eje, seguirá siendo el mismo después de haber girado; luego hablaremos más de eso La creación de partículas La creación de partículas materiales partiendo de la energía pura es el efecto más admirable de la teoría de la relatividad Cuando dos partículas colisionan con altas energías, se rompen en pedazos, pero estos pedazos no son más pequeños que las partículas originales Son partículas de la misma clase y resultan creadas de la energía del movimiento inherente al proceso de colisión A ese tipo de energía se denomina energía cinética Los electrones con órbitas más cercanas al núcleo tienen menor energía que los que están más lejos 49T

Es decir, tiene más “fuerza” para “alejarse” del núcleo que lo atrae -¿cómo se dividen las partículas subatómicas, “jefe”? 49T

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Nada de bromas; la única forma de dividir las partículas subatómicas es haciéndolas estallar juntas en procesos de colisión con altas energías 49T

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Pero nunca se obtendrá trozos más pequeños -o sea que las colisiones pueden crear otras partículas, pero nunca más pequeñas que las partículas que colisionaron 52

Así es; las colisiones de partículas subatómicas con alta energía son el principal método utilizado para estudiar las propiedades de las partículas Las energías necesarias para los experimentos de colisión se obtienen por medio de enormes aceleradores de partículas

Tal como el que aparece en las figuras de arriba; son gigantescas máquinas circulares cuya circunferencia puede tener varios kilómetros Allí, los protones son acelerados hasta velocidades próximas a la velocidad de la luz, para después hacerlos colisionar con otros protones o neutrones Fuerza y Materia Por otra parte, los físicos que observan los fenómenos subatómicos, han creído conveniente unifica los dos conceptos: fuerza y materia, Ahora se considera que fuerza y materia, tienen su origen común en los patrones dinámicos que llamamos “partículas”

1 Una colisión con partículas externas excita al átomo 2 El electrón cambia de órbita a una de mayor energía 3 El electrón vuelve a su energía normal y libera la energía extra en forma de fotón El conocimiento que se tiene sobre las partículas, pueden ser representado por un ejemplo: un grano de sal se compone de moléculas de sal Las moléculas de sal, de átomos; los átomos se componen de núcleos y electrones; y los núcleos, de protones y neutrones Pero, a nivel de partículas, ya no es posible ver las cosas de ese modo Para establecer el comportamiento de las partículas, se diseñaron varios modelos teóricos, uno de ellos: La Interpretación de Copenhague La Interpretación de Copenhague Fue desarrollada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920; sigue siendo el modelo más aceptado Según la interpretación, las partículas subatómicas no existen con certeza en lugares definidos, más bien muestran "tendencias a existir" No hay seguridad de que los sucesos atómicos ocurran en tiempos y maneras definidas; en su lugar muestran "tendencias a ocurrir" Por ello es que se usa el concepto de probabilidad, con ese concepto se determina la probabilidad de que una partícula esté en ciertas zonas En los experimentos de colisión, las partículas son lanzadas alrededor de una pista y aceleradas hasta que su energía sea lo suficientemente alta 54

Werner Heisenberg

Niels Bohr

Este proceso tiene lugar en el acelerador de partículas y las colisiones, en una cámara de burbujas, donde las partículas producen rastros visibles Esos rastros pueden ser fotografiados, pero las fotografías deben ser tomadas muy rápidamente A pesar de que los aceleradores toman miles de millones de fotografías de las colisiones por segundo, no alcanzan a fotografiar los procesos Por eso, las propiedades de las partículas son deducidas del análisis matemático de los rastros dejados por las colisiones en la cámara de burbujas -¿se puede tener una idea de lo que es una onda con relación a la partícula? Ya lo intentamos en las anteriores clases, pero lo repetiremos ahora Precisamente para aumentar la capacidad de visualizar esta clase de fenómenos, es que hacemos los ejercicios de pensamiento lateral Las ondas asociadas con partículas, no son ondas tridimensionales "reales", como las ondas de agua o las ondas sonoras Entonces, ¿qué clase de ondas son? Son "ondas de probabilidad", matemáticamente abstractas relacionadas con las probabilidades de que las partículas se hallen en ciertos lugares 55

Además de ciertas propiedades, algo que sólo los físicos teóricos entienden, a través de su idioma, que son las ecuaciones matemáticas L A

La onda Una onda es la trayectoria de una partícula sujeta a longitud y frecuencia, como en la siguiente figura que reproducimos del anterior capítulo La letra L representa la longitud de una onda; la letra A, su frecuencia En la próxima clase veremos la importancia de ambas Nosotros no necesitamos entender esas ecuaciones, sólo visualizar, en lo posible, lo que representan La partícula no está presente en un lugar definido; tampoco está ausente; no cambia su posición, ni permanece en reposo Lo que cambia es el patrón de probabilidad y de este modo cambian sus tendencias a “estar” en ciertos lugares; es una especie de locura Robert Oppenheimer, del grupo de científicos que creó la bomba atómica nos dice algo insólito: Si, preguntamos por ejemplo si la posición del electrón permanece siendo la misma, hemos de decir que "no"; si preguntamos si la posición del electrón varió con el tiempo, tenemos que decir que "no";

Si preguntamos si el electrón esta en reposo, debemos decir que "no"; si preguntamos si está en movimiento, hemos de decir que "no" 56

El Momentum (momento) Las partículas que se mueven con alta velocidad tienen una elevada energía; aunque los físicos, ya no usan el concepto "velocidad" En su lugar emplean el "momento" que se define como la masa de una partícula multiplicada por su velocidad -el momento de una partícula deriva, entonces de cuánta masa tiene y a qué velocidad se mueve Así es; la teoría cuántica asocia las propiedades de una onda de probabilidad con las propiedades de la partícula Esas propiedades se refieren a la amplitud de onda con las probabilidades de encontrar la partícula en dicho lugar

Me gustaría conocer un ejemplo concreto Tranquilo Lucas; si la longitud es grande tendremos más probabilidades de encontrar la partícula que en una longitud pequeña Cuando las longitudes de las ondas son iguales, la partícula podrá ser encontrada con la misma probabilidad en cualquier parte de la onda Una onda de pequeña longitud estará relacionada a una partícula que se mueve a velocidad mayor, es decir tendrá un “momento elevado” La frecuencia de la onda es proporcional a la energía de la partícula; una onda con una frecuencia alta muestra una partícula con gran energía En el caso de la luz, por ejemplo, la luz violeta tiene una frecuencia alta y una longitud de onda corta

Por lo tanto, se compone de fotones de alta energía y alto momento La luz roja tiene una frecuencia baja y una longitud de onda larga, correspondiente a fotones de baja energía y bajo “momento”

Luz Violeta, frecuencia alta y longitud corta

Luz roja, frecuencia corta y longitud amplia

La posición de la partícula es más o menos determinada; por ejemplo, en la descripción de un electrón En tal caso, las probabilidades de encontrar la partícula en diversos lugares se concentran más bien a una zona determinada Fuera de esta zona las probabilidades de encontrarla deben ser cero; esto se logra mediante un modelo de onda como el del diagrama siguiente El diagrama corresponde a una partícula confinada a la zona X Ese modelo se denomina “paquete de ondas”

X Paquete de ondas correspondiente a una partícula situada en algún lugar de la zona X

¿Qué es el Principio de Incertidumbre? Nos instruye sobre el hecho de que en el mundo sub-atómico, nunca se podrá saber con precisión la posición y el momento de una partícula La fórmula matemática de esta relación existente sobre la posición y momento de una partícula es conocida como El Principio de Incertidumbre Cuanto mejor se conozca su posición, más confuso será su momento y viceversa; los físicos, al efectuar una medición precisa de cualquiera de estas dos magnitudes, nada sabrán de la otra

Esta limitación no es causada por la imperfección de las técnicas de medida; se trata de una limitación de principio en la naturaleza ¿Qué es principio de Complementariedad? Para comprender la relación existente entre los pares de conceptos clásicos, Niels Bohr introdujo la idea de la Complementariedad Consideró el status de partícula y onda como dos descripciones complementarias de la misma realidad; cada una, sólo parcialmente correcta También estableció que para lograr una descripción completa de la realidad atómica son necesarias las dos representaciones Ambas se aplican dentro de las limitaciones impuestas por el principio de incertidumbre “Los opuestos son complementarios” dice Bohr Espacio-Tiempo La física clásica concebía un espacio tridimensional, absoluto, independiente de los objetos materiales contenidos en el espacio 59

El espacio obedecía a las leyes de la geometría euclidiana; de esta manera, el tiempo se consideraba una dimensión aparte, también absoluta, El tiempo fluiría de un modo uniforme e independiente del mundo material La geometría euclidiana consideraba al espacio como algo plano La ley de la Relatividad demostró que el espacio-tiempo es curvo; en la física actual, la medición del espacio-tiempo es relativa La posición de un objeto en el espacio se define sólo en relación con algún otro objeto; así termina la clase Profe, falta el pensamiento lateral y la palabra bella y útil Muy bien; aquí va un acertijo Supongamos que un conocido millonario, famoso por sus colecciones, entre ellas, de monedas antiguas, denuncia el robo de 99 monedas egipcias de oro cuya antigüedad, según los datos, viene del año MM a.C… la colección constaba de 100 monedas, pero él siempre guardaba una en el cajón de su escritorio porque “le traía suerte”, costumbre que le permitió salvar por lo menos una moneda ¿Por dónde empezaríamos la investigación?… -empezaríamos visitando las casas de empeño -trataríamos de averiguar si es que existen otros coleccionistas del mismo ramo -seguramente la colección de monedas estaba asegurada por una buena suma, por lo que nos interesaría saber las condiciones del seguro -por otra parte, también investigaríamos los antecedentes del millonario, para asegurarnos de que no esté cometiendo una estafa -no podríamos obviar la necesidad de saber cómo y las condiciones que mediaron para que la colección fuera adquirida Todas las sugerencias son de gran utilidad y responden a una de las categorías de pensamiento más utilizados: el pensamiento lineal o lógico; antes de seguir con las vías que transitaríamos para dar con el o los autores del 60

robo, debemos preguntarnos: ¿tenemos toda la información requerida sobre la colección de monedas? -yo creo que sí: sabemos que datan de dos milenios a.C -por otro lado, sabemos que son de oro y que valen mucho Sin embargo, debo decirles que no tienen toda la información necesaria para demostrar que el caso se basa en un intento de estafa -¿Cómo podríamos saber que se trata de un intento de estafa? Usted nos dio los datos necesarios para plantear el caso Les di y no les di -¿…? El detective asignado al caso, le pidió al coleccionista que le mostrara la moneda salvada… apenas la vio, el detective determinó que se trataba de un intento de estafa… o de una broma; ahora acudimos al pensamiento lateral para deducir qué fue lo que el detective vio en la moneda… por favor, no se inhiban de aventurar deducciones absurdas, pues no se trata de seguir un proceso lógico; al contrario, mientras más absurda la deducción, más útil será para familiarizarnos con las características del pensamiento lateral -la moneda no era de oro -la moneda tenía dos caras iguales -llevaba la leyenda: Made in China -era una moneda de vidrio -tenía la efigie de algún presidente egipcio contemporáneo -era una ficha de póker -era pintada con brocha gorda -era un chocolatín redondo envuelto en papel dorado El detective se dio cuenta de que la moneda era falsa, porque no llevaba la leyenda “Made y China”, sino “MM a.C” (Dos mil años antes de Cristo) Se escuchó una carcajada en coro Si ustedes hubieran tenido la información que tuvo el detective asignado al caso, lo habrían resuelto inmediatamente, pero yo les proporcioné una in61

formación ambigua: les dije simplemente que las monedas eran egipcias y que, según los datos, provenían del siglo XX a.C, pero no les dije que esa fecha estaba inscrita en la moneda… éste es un pequeño ejemplo de pensamiento lateral, en el que lo más importante no es seguir un pensamiento lógico, lineal, sino reestructurar el modelo original, oponiendo alternativas que no sean lógicas; más bien se espera que la reestructuración del modelo se base en andamiajes cada vez más absurdas que el curso proponga, tal como lo hicieron ustedes; lo dijimos ya, la esencia misma del pensamiento lateral se basa en la búsqueda de alternativas absurdas hasta que se adquiere un grado de pericia aceptable (Fragmento) La palabra reverberaba como los colores encandilados por el prisma que les da vida; todo en él era para el embeleso y para el aturdimiento feliz de los sentidos… su presencia era como el infinito: no parecía exigir el lugar de nadie para objetivarse, ni hacer que las alas de una mariposa tuvieran motivo para el sobresalto. Habló con ecos de palabras, como si las palabras originales hubieran sido pronunciadas hacía muchas centurias de milenios, milenios que descansan unos sobre los otros… así es cómo las hojas de los árboles, en cada una de sus ramas, son las mensajeras de la naturaleza… pero las huellas dejadas por los que han dejado huella a lo largo de los senderos de la luz invisible nos instruyen que hay quienes no viven, quienes sólo ansían poder y dinero; parecería que estuvieran hechos de otra sustancia… ajenos a lo que es el fluir de la vida, mueren por que no mueren y al morir se van vacíos porque no dejan nada, ni siquiera el aliento para que una hoja de otoño planee por un cuarto de segundo…

6 LAS DANZAS CÓSMICAS Periodo de vida de las partículas Una millonésima de segundo; partículas de tan corta vida sólo pueden ser sucesos transitorios de procesos muy dinámicos Por la naturaleza relativista de las partículas subatómicas, no es posible entender sus propiedades sin conocer sus mutuas interacciones Por otro lado, no es posible comprender una partícula sin antes tener un conocimiento previo de la interacción de las demás

¿Qué es el Vacío, profe?

La frase “la naturaleza aborrece el vacío” es muy oportuna; desde la época de los griegos, el concepto de “vacío” ha sido tema de grandes debates Los que negaban la existencia del vacío razonaban del siguiente modo Si los cuerpos están separados por la nada, esto es, por vacíos, no estarían separados; siempre estarían juntos En el estudio del “vacío”, los físicos se encontraron con el concepto de “campo”, el que se interpretó de diferente manera Faraday y Maxwell postularon que los campos vibratorios eléctricos y magnéticos pueden viajar a través del espacio, en forma de ondas de radio También como ondas de de luz y otros tipos de radiación electromagnética 63

En la formulación relativista de la electrodinámica los dos campos: la electricidad y el magnetismo, quedan unificados en un solo campo electromagnético, lo que permitió demostrar que el “vacío” como tal, no existe

Los físicos identifican el vacío cuántico o "estado de vacío", como algo que "no es desde ningún punto de vista un simple espacio vacío" Es un error pensar, dicen, que el vacío físico sea un espacio vacío absoluto; la mecánica cuántica establece que el vacío cuántico no está “vacío” Los físicos afirman que el vacío contiene ondas electromagnéticas fluctuantes y partículas que saltan dentro y fuera de la existencia El vacío es verdaderamente un "vacío vivo", que pulsa permanentemente ritmos de creación y de destrucción El descubrimiento de la cualidad dinámica del vacío está considerado como uno de los hallazgos más importantes de la física moderna El “vacío” es considerado como una entidad dinámica de importancia -de manera que la cabeza del Flaco George no está hueca como creíamos, después de todo; tenía usted razón: la naturaleza obra caóticamente El Campo El concepto de “campo” ha sido asociado con la fuerza electromagnética También con esa otra fuerza primordial del macromundo Esta es la fuerza de la gravedad Los campos gravitacionales están en todos los cuerpos sólidos, y las fuerzas resultantes son siempre fuerzas de atracción 64

Los campos electromagnéticos originan fuerzas de atracción y de repulsión En la relatividad general hay una idea muy clara al respecto: Donde exista un cuerpo sólido habrá también un campo gravitacional, elque se manifestará como la curvatura del espacio que rodea al cuerpo Einstein: la materia no puede estar separada de su campo de gravedad, y el campo de gravedad no puede estar separado del espacio curvo Unidad de Materia y Espacio Materia y espacio son consideradas partes inseparables e interdependientes de un solo conjunto La física moderna nos demuestra que, en ambos niveles, el microscópico y el macroscópico, los objetos materiales no son entidades diferenciadas Están inseparablemente ligados a su entorno y sus propiedades pueden entenderse sólo en función de su interacción con el resto del universo Pero la teoría clásica de la electrodinámica se ha podido combinar con la teoría cuántica, dando una teoría llamada "Electrodinámica Cuántica" Los nombres son muy amenazadores, pero los conceptos nos llegan de una manera muy fácil, tal como lo comprobaremos nuevamente ¿Qué es la Electrodinámica Cuántica? Describe las interacciones electromagnéticas que se dan entre las partículas subatómicas e integra la teoría cuántica y la teoría de la relatividad, aunque aún no es una integración para una teoría del todo Fue el primer modelo "cuántico-relativista" de la física moderna y hasta el presente, el más efectivo 65

El rasgo más nuevo y sorprendente de la electrodinámica cuántica surge de la combinación de dos conceptos: campo electromagnético y fotones Los fotones son también ondas electromagnéticas El campo cuántico es considerado como una entidad física fundamental: un medio continuo que está presente en todas partes del espacio Las partículas son simples condensaciones locales del campo, concentraciones de energía que vienen y van Pierden su carácter individual y se disuelven en el campo subyacente Los físicos citan a Albert Einstein, quien declara: Podemos por tanto considerar a la materia como constituida por las regiones de espacio en las cuales el campo es extremadamente intenso... En este nuevo tipo de física no hay lugar para campo y materia… el campo es la única realidad ¿Qué significa “La Unificación de todos los campos”

Originalmente, el concepto de “campo” se relacionó con el concepto de fuerza; en la teoría del campo cuántico todavía se asocia con las fuerzas Por ejemplo, la interacción total entre dos electrones incluirá una serie de intercambios de fotones; los electrones parecerán desviarse uno de otro La física clásica dirá que los electrones ejercieron una “fuerza repulsiva” uno sobre el otro, algo que ahora se desecha Según la física moderna, ninguno de los dos electrones es sujeto de “fuerza” alguna cuando se aproxima al otro Sólo se influyen mutuamente a través de los fotones que intercambian 66

En el mundo subatómico no existen esas “fuerzas”, sólo hay interacciones entre las partículas, que son medidas a través de campos Es decir, a través de otras partículas; por esta razón los físicos prefieren hablar de interacciones en lugar de hablar de fuerzas Establecido el concepto de campo, los físicos intentaron unificar los diversos campos en uno solo, el que incorporase a todos los fenómenos físicos Einstein pasó los últimos años de su vida buscando ese campo unificado Según la teoría del campo cuántico, todas las interacciones ocurren en el proceso de intercambios de partículas Nuevas Partículas (Recordemos que los nucleones son los protones y neutrones que conforman el núcleo de un átomo) En las interacciones electromagnéticas, las partículas intercambiadas son fotones; los nucleones interactúan entre sí mediante la interacción nuclear Se las conocen como "interacciones fuertes"; se manifiestan como el intercambio de un nuevo tipo de partículas, llamadas "mesones" Por ello, no se puede entender la fuerza nuclear sin entender todo el espectro de las partículas subatómicas y sus interacciones

¿Cómo se crea una partícula con masa?

La creación de una partícula con masa sólo es posible cuando existe la energía correspondiente a su masa, v.g, mediante un proceso de colisión

Ya vimos antes que para lograr una partícula con masa desde la energía es necesario grandes existencias energéticas Mesón real y Mesón virtual Los sucesos subatómicos que tienen lugar dentro de un muy corto período de tiempo, implican una gran incertidumbre en cuanto a la energía El intercambio de mesones, esto es, la creación y posterior destrucción de estas partículas, son sucesos de este tipo Tienen lugar durante un período de tiempo muy corto, así la energía del entorno es suficiente para permitir la creación de los mesones Cuanto más pesados sean los mesones (es decir, cuanta más energía se precise para crearlos) más corto será el tiempo para el intercambio De este modo emergen los procesos de intercambio que constituyen las interacciones fuertes en el núcleo del átomo Por el otro lado, el intercambio de fotones virtuales puede darse a grandes distancias Eso se debe a que los fotones, al no tener masa, pueden ser creados con cantidades de energía más pequeñas Los campos electromagnéticos son originados por la presencia de fotones virtuales "dentro" de las partículas cargadas eléctricamente De esta manera, la distinción entre materia y espacio vacío tuvo finalmente que ser abandonada Las teorías del campo de la física moderna abandonan la distinción clásica entre partículas materiales y el vacío La teoría del campo gravitacional de Einstein y la del campo cuántico muestran que no es posible separar las partículas del espacio que las rodea 68

Por un lado, determinan la estructura de dicho espacio, y por otro, no se las puede considerar como entidades aisladas Serán condensaciones de un campo continuo; este campo está considerado como la base de todas las partículas y de sus interacciones mutuas: El campo existe siempre y en todos los lugares; nunca puede ser eliminado. Es quien transporta a todos los fenómenos materiales. Tanto la acción de aparecer como la de desvanecerse de las partículas son sencillamente formas de movimiento del campo. El universo es dinámico Los viajes virtuales de la Física Moderna por el mundo subatómico han mostrado la naturaleza verdadera de la materia Han puesto de manifiesto que las partículas subatómicas son modelos dinámicos que no tienen existencia como entes aislados Ha demostrado que lesas partículas existen sólo como partes de un inmenso entretejido de interacciones Los procesos interactivos se realizan en un perenne flujo de energía emergente del intercambio de partículas Las partículas, en una interrelación mutua, son creadas y destruidas en una gama continua de modelos energéticos Las interacciones entre las partículas originan las estructuras de la materia, las que no permanecen estáticas: oscilan con movimientos ordenados El universo parece moverse al ritmo ondulante de una danza cósmica vital; este movimiento vital convoca una enorme variedad de patrones, pero todos ellos caen dentro de unas pocas categorías que interactúan entre sí Antes de terminar la clase hablaremos de algo diferente: dignidad 69

Para empezar, diremos que en el comportamiento humano es preciso desechar los extremos, porque son deformaciones caricaturescas Por ejemplo, entre la humildad y la soberbia Sobre el particular, tracemos los dos extremos La humildad es para los harapos mentales La Soberbia es para la estupidez Entre ambos extremos encontraremos el grado de dignidad que elijamos En mi percepción, una de las respuestas más dignas en la historia fue dada por Miguel de Cervantes Saavedra Recordemos que Cervantes perdió el uso de una mano, cuando participaba en la famosa Batalla naval de Lepanto, hoy en Turquía La batalla, realizada en octubre de 1571, puso fin a las pretensiones de expandir el dominio del imperio otomano al resto de Europa En su época, Cervantes recibía muchos insultos de parte de los otros escritores, también famosos; yo percibo la respuesta del siguiente modo: Me dicen manco y viejo, con la pretendida intención de insultarme Me lo dicen, como si hubiera perdido la mano en una pelea de taberna y no en la batalla más grande que la historia pone en su inventario Me dicen viejo, como si fuera inherente sólo a mí el serlo y como si yo pudiera detener el tiempo Me dicen manco y viejo, como si fuera un pecado y sólo yo, el pecador Les cité la respuesta de Cervantes (algo transformada por mi percepción particular) como un ejemplo de lo que es Dignidad Cervantes no contesta los insultos, más bien expresa su pesar por lo arbitrarios e injustos que son 70

Cuando sientan la necesidad de humillar a alguien, acuérdense de Cervantes y de lo que les digo a continuación: El único animal al que la arrogancia le cae bien es la llama, a ninguno más Hasta la próxima clase queridos alumnos.

LOS MISTERIOS DEL COSMOS ¿Hay en el cosmos dimensiones como “arriba”, “abajo”, “norte”, “sur”, las mismas que conocemos en la Tierra? No; esas dimensiones son de tipo convencional, es decir surgieron de la necesidad de identificar un objeto en la realidad cotidiana Pero en el Cosmos, esas palabras dejaron de tener significado Para probarlo imaginemos dos individuos que flotan en el espacio y están observando un paraguas como el dibujo siguiente, tal como lo pone Fritjof El primer observador, A, ve el paraguas ligeramente inclinado a su izquierda, de forma que el extremo superior está más cerca de él; el observador B, mira el paraguas a su derecha y percibe que el extremo superior está más alejado

-… queda claro que todos los datos espaciales, tales como "izquierda", "derecha", "arriba", "abajo", "oblicuo…” dependerán totalmente de la situación del observador y por tanto serán relativos y convencionales 71

En el sistema clásico, el orden temporal de los sucesos era considerado independiente de la posición y velocidad del observador Las ubicaciones de los cuerpos en el espacio-tiempo de la física moderna son relativas y dependen del observador, tal como vimos con el paraguas La velocidad de la luz, 300.000 Km por segundo, es tan alta que nos hace suponer que observamos los sucesos en el mismo instante en que ocurren Pero eso es nada más que una ilusión; la luz necesita un tiempo para viajar desde la fuente del suceso al observador Ejemplo, la luz tarda ocho minutos en viajar desde el Sol a la Tierra, es decir que, en cualquier momento, vemos el Sol como era hace ocho minutos En la imagen siguiente vemos al sol como situado en el punto luminoso de la izquierda, pero el sol está realmente en el punto de la derecha Esto es, 8 minutos más tarde…

… en la física cuántica, los sucesos son interacciones entre partículas que se mueven casi a la velocidad de la luz En este sentido, la relatividad del tiempo es algo bien establecido y ha sido confirmado por incontables experimentos; no es posible hablar del "universo en un momento dado", de una manera absoluta Por otro lado, según la Teoría de la Relatividad, no existe un espacio absoluto, independiente del observador -entonces, ¿cómo podemos identificar la ubicación de las galaxias? 72

Los astrofísicos pueden ver las galaxias tal como eran hace millones de años; en realidad ven “su pasado” Ese pasado coexiste con el futuro de nuestra galaxia; así, “presente, pasado y futuro” no son dimensiones que existan en el universo En el cosmos todo es simultáneo Oí decir que la longitud de un palo en reposo horizontal es mayor que si el palo está en sentido vertical

Tienes razón; en la física clásica se daba por sentado que un palo, ya se halle en movimiento o reposo, tendrá siempre la misma longitud La teoría de la relatividad ha demostrado que esto no es cierto Un palo tiene su longitud máxima cuando está en reposo, y se hace más corta a medida que su velocidad aumenta con relación al observador No tiene sentido preguntar por la longitud "real" de un objeto, tal como tampoco lo tiene preguntar la verdadera longitud de la sombra de alguien La relatividad del tiempo En los relojes sometidos a gran velocidad, el tiempo se refrena y marcan un periodo menor que los relojes en reposo normal Stephen Hawking, considerado como el sucesor de Einstein, pone como ejemplo hipotético a dos gemelos Si uno de ellos hiciera un viaje por el espacio exterior, al volver sería más joven que su hermano, porque todos sus "relojes", el latido de su corazón, su flujo sanguíneo, sus ondas cerebrales… habrían ido más despacio durante el viaje 73

Pero él mismo no advertiría nada anormal, aunque a su regreso se asombraría al ver que su hermano gemelo era mucho más viejo que él El retraso experimentado por los relojes en movimiento está perfectamente comprobado en la física de las partículas También tiene como ejemplo a dos aviones viajan a la misma velocidad alrededor de la Tierra, pero en sentido contrario uno del otro El Tiempo correrá más lento en el avión que va de Oeste a Este que el otro avión que viaja en sentido contrario Además, el avión que va de izquierda a derecha tiene a su favor la velocidad de la rotación de la Tierra que rota en ese sentido Velocidades ¿Cuál es la velocidad de rotación de la Tierra sobre su eje? 49T

49T

La Tierra gira sobre su eje a 1666,80 km por hora, tomando como punto de referencia la línea del Ecuador 49T

Con relación al sol, su movimiento de traslación alcanza, 107280 Km/hora 49T

Con relación a la velocidad de traslación que nuestro planeta recorre junto con el sol alrededor del centro galaxial, vamos a 777600 km por hora 49T

Nuestra galaxia tarda 230 millones de años para lograr una órbita, junto con el sol, alrededor del centro de la galaxia 49T

Por otro lado, no hay una distancia única entre la Tierra y el Sol El perihelio Al comenzar el mes de enero la Tierra alcanza su máxima proximidad al Sol; ese estado queda identificado como el perihelio.

Afelio En cambio, a principios de julio llega es cuanto más distante está con relación al sol, en un estado que se denomina afelio La distancia entre la Tierra y el Sol en el perihelio es de 142.700.000 km. y la distancia Tierra-Sol en el afelio es de 151.800.000 kilómetros ¿A cuánto alcanza la velocidad del Sonido? La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras. Cuando lo hace a través del aire, es de 1234 Km por hora, lo que se denomina Mach 1, como una medida de velocidad para los aviones Cuando esa velocidad se rompe ocurre una explosión sonora debido a que las ondas del sonido se juntan unas a otras y el avión las deja atrás La inestabilidad de las partículas La mayor parte de las partículas subatómicas son inestables, esto es, después de cierto tiempo se desintegran en otras partículas Muchos experimentos han confirmado el hecho de que el tiempo de vida de una partícula inestable depende de su movimiento Si la velocidad de la partícula aumenta, su tiempo de vida aumentará Si su velocidad es el 99% de la velocidad de la luz, vivirá siete veces más, lo que no quiere decir que el tiempo de vida de la partícula varíe ¿A qué se debería esos resultados tan absurdos? Los efectos, aparentemente absurdos, se deben a que son proyecciones tridimensionales de fenómenos que tienen lugar en cuatro dimensiones

Es el mismo fenómeno de las sombras; son proyecciones de objetos tridimensionales, pero las vemos en una perspectiva de sólo dos dimensiones Si pudiésemos percibir la realidad espacio-temporal cuatridimensional, no observaríamos ningún efecto extraño Ahora abordaremos un tema de gran interés ¿Qué son los Agujeros Negros, Profe? Los físicos recuerdan a Einstein y reafirman que siempre que haya un objeto sólido, el espacio que lo rodee será curvo, tal como lo vimos Un ejemplo claro de la curvatura del espacio-tiempo es algo que a primera vista nada tiene que ver con el tema Empecemos por visualizar el colapso de una estrella El colapso de una estrella se produce porque se vuelve cada vez más pequeña debido a que sus átomos se estrechan progresivamente entre sí Lo hacen, hasta que la estrella colapsa hacia dentro, en una “implosión” Todas las estrellas colapsan con el tiempo; eso se debe a la mutua atracción gravitacional de sus partículas Puesto que esta atracción aumenta con gran rapidez, a medida que disminuye la distancia entre las partículas, el colapso se acelera Lo dijimos en una clase anterior, si la masa de la estrella es grande, digamos, dos o más veces la del Sol, ningún proceso podrá evitar que el colapso continúe indefinidamente

Como consecuencia el espacio-tiempo que la rodea, se hace cada vez más curvo y su gravedad aumenta a medida que su volumen se reduce 76

Ya no quedan “vacíos” en el interior de sus átomos Finalmente, la estrella habrá aumentado tanto su fuerza de gravitación que alcanzará una etapa en la que nada escapará de su masa Los físicos dicen que, en esta etapa, se forma un "horizonte en calma" alrededor de la estrella, pues ninguna señal escapa de ella El Horizonte de Calma Tampoco vemos tal estrella porque su luz nunca llega hasta nosotros; ésa es la razón por la que esos cuerpos se llamen “agujeros negros” Su existencia fue pronosticada por la teoría de la relatividad, en 1916 En 1967 Stephen Hawking y Roger Penrose demostraron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein Que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso

¿Cuándo se conoció la existencia de los agujeros negros? John Wheeler acuñó el término "agujero negro", en 1969; la idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir radiación, lo cual fue propuesto por Stephen Hawking en 1976 77

Tras años de investigación de los resultados, los investigadores aseguran que efectivamente habían logrado probar la teoría de Hawking

El colapso se completa cuando la estrella se ha contraído hasta un punto crítico de densidad extrema -¿cuánto tiempo tarda el colapso? - ¡se trata de un tiempo finito o infinito? En la teoría de la relatividad esta pregunta carece de sentido El proceso de colapso de una estrella, como todos los demás períodos de tiempo, es relativo y dependerá de la posición y velocidad del observador Aún no capto bien: ¿cómo saben los científicos que han identificado un agujero negro, si su luz no nos llega? Deducen la existencia de un agujero negro de varias maneras Si una estrella que gira en órbita alrededor de un centro, al parecer, sin un cuerpo existente visible, es posible que el centro sea un agujero negro Todas las partículas se mueven hacia adelante o hacia atrás en el tiempo, En el espacio se pueden mover hacia la derecha o hacia la izquierda Louis de Broglie dice al respecto: En la dimensión espacio-temporal, todo lo que para cada uno de nosotros constituye el pasado, el presente y el futuro, se da en bloque

Me gustaría saber qué es el Efecto Cuántico

Hay muchos efectos y estados cuánticos, los que son descritos por ecuaciones matemáticas, más que por una observación directa Si una partícula subatómica está confinada a una pequeña región de espacio, reaccionará a su confinamiento moviéndose en una órbita Tal el caso de un electrón con relación al núcleo del átomo Cuánto más pequeña la zona de confinamiento, es decir, cuánto más cerca se encuentre del núcleo, más deprisa "revoloteará" la partícula en cuestión Ése sería un “efecto cuántico” Para intuir las características del Macro y del Microunivereso, visualizaremos la unidad de la Teoría de la Relatividad-Mecánica Cuántica El dinamismo de la materia surge en la teoría cuántica como una consecuencia de la naturaleza dual onda-partícula de las partículas subatómicas Emerge también de la teoría de la relatividad: la unificación del espaciotiempo no permite que la materia quede separada de su actividad Por eso es que las propiedades de las partículas subatómicas pueden ser percibidas sólo en movimiento, interacción y transformación ¿Es cierto que el Universo se Expande? Sí; el universo acoge un conjunto indeterminado pero muy grande de galaxias, en movimientos de rotación, tal como la nuestra El ejemplo más conocido al respecto es el siguiente Para tratar de visualizar el proceso de expansión, imaginemos un globo con un gran número de puntos en su superficie 79

El globo representará el universo y los puntos, serán las galaxias A medida que inflamos el globo, las distancias entre los puntos aumentarán

Todos los puntos se alejarán de todos y cada uno La velocidad de expansión aumentará progresivamente: a mayor distancia, más rápido se alejará de nosotros Las galaxias más lejanas de todas se alejan de nosotros a velocidades que se aproximan a la de la luz La luz de las galaxias más allá de esa distancia jamás llegará hasta nosotros, pues se alejan a una velocidad mayor que la velocidad de la luz Eso es algo que no le cayó nada bien a Einstein ¿Qué es una singularidad, profe? Es un punto teórico con volumen cero y densidad infinita Los físicos consideran al Big-Bang como una singularidad; también sería el caso de los agujeros negros Los físicos consideran que la expansión del universo es un impulso residual de la gran explosión, conocida como el “Big Bang”, que creó el cosmos 80

El “Big Bang”, habría sido una singularidad que dio lugar al universo y al comienzo del espacio y del tiempo Las ecuaciones de Einstein no tienen una respuesta única sobre el futuro del universo en expansión, pues generan soluciones diferentes Cada solución corresponde a diferentes modelos de universo; algunos modelos predicen que la expansión continuará para siempre Otros, describen el universo como oscilante; es decir, que se expande porbillones de años y luego se condensa en una pequeña bola de materia; esa bola iniciará una nueva expansión… y así hasta el infinito Así terminamos esta clase

LAS FUERZAS DEL ÁTOMO La Energía La energía nos permite describir los fenómenos naturales Un cuerpo tiene energía cuando puede realizar un trabajo Esta energía puede ser: energía de movimiento, energía de calor, energía gravitacional, energía eléctrica, energía química… Cualquiera que sea su forma, podrá ser empleada para realizar un trabajo

He oído hablar de la energía cinética y quiero saber qué es

La energía cinética de un cuerpo es la que posee debido a su movimiento Se la define como el trabajo necesario para acelerar su masa, desde el reposo hasta la velocidad que se desea Una piedra arrojada desde una altura genera energía cinética al caer y colisionar con algún otro objeto o contra el suelo La energía eléctrica o química puede ser transformada en energía calorífica, que luego servirá para fines domésticos En física, la energía se relaciona con algún proceso o actividad La energía total contenida en un proceso siempre se conserva Puede que cambie su forma, pero nada se pierde de ella 82

La conservación de la energía es una de las leyes fundamentales de la física y rige todos los fenómenos naturales conocidos

Dejad que la energía trabaje

La Masa La masa de un cuerpo es una medición de su peso, esto es, de la atracción que la gravedad ejerce sobre su cuerpo También es la medida de su resistencia a la aceleración Los objetos pesados son más difíciles de acelerar que los objetos ligeros La teoría de la relatividad, ya lo vimos, dice que la masa es una forma de energía y puede transformarse en otras formas de energía Esto sucede cuando las partículas subatómicas colisionan unas con otras; en estas colisiones las partículas pueden ser destruidas La energía contenida en sus masas puede transformarse en energía cinética; el proceso inverso también se cumple Cuando las partículas colisionan a velocidades muy elevadas, su energía cinética puede ser utilizada para formar las masas de nuevas partículas 83

Por la fórmula de Einstein, sabemos la energía se puede convertir en masa, del mismo modo que la masa lo hace en energía Esta conversión es tan común que los físicos miden las masas de las partículas en unidades de energía

¿Se puede visualizar las partículas subatómicas?

No debemos olvidar que las partículas que componen el átomo, no están hechas de substancia material alguna; no son “miguitas de pan” Las partículas subatómicas son modelos de “momentos” que interactúan en entornos espaciales y temporales Recordemos que la palabra “momento” se refiere a la masa de una partícula multiplicada por su velocidad Nunca vemos ninguna substancia; lo que observamos son modelos dinámicos que continuamente cambian de uno a otro: una danza permanente de energía Su aspecto espacial nos permite visualizarlas como “objetos con masa” Visualizamos su aspecto temporal, como procesos que contienen la energía equivalente Los físicos afirman que la materia tiene modelos básicos conformadas por las partículas subatómicas, las que interaccionan perennemente

Entender las propiedades e interacciones de estas partículas constituye la principal finalidad de la física moderna La mayor parte de las más de doscientas partículas conocidas fueron creadas artificialmente en procesos de colisión Los átomos, que conforman las formas de materia existentes, están compuestos de sólo tres partículas sólidas: el protón, el neutrón y el electrón Una cuarta partícula, el fotón, no tiene masa y se la usa como la unidad de radiación electromagnética Las tres son partículas estables; viven para siempre, excepto cuando participan de una colisión en la que pueden ser aniquiladas El Neutrón El neutrón, por el contrario, puede desintegrarse espontáneamente El neutrón es un componente del núcleo de los átomos y está formado por dos quarks “abajo” y un quark “arriba” 9T

El “quark arriba” tiene carga eléctrica +2/3 Los “quarks abajo” tienen cada uno carga eléctrica -1/3, la suma de ambos valores negativo y positivo hace que carga eléctrica del neutrón sea cero Cada neutrón está conformado por estos tres quarks enlazados por gluones (partículas en las que reside la interacción nuclear fuerte) 9T

La masa del neutrón es algo mayor que la del protón Los neutrones forman, con los protones, los núcleos atómicos; el neutrón está presente en todos los núcleos atómicos, excepto el del hidrógeno 85

El neutrón interactúa con los protones mediante la fuerza nuclear fuerte, pero sin repulsión electromagnética, porque su carga eléctrica es cero El proceso de esa desintegración recibe el nombre de "emisión beta" y constituye el causal básico de cierto tipo de radioactividad Así, el neutrón se transforma en un protón, creando en el proceso, un electrón y un nuevo tipo de partícula denominada neutrino, que carece de masa Tal como el protón y el electrón, el neutrino es también estable La transformación de neutrones en protones tiene lugar en los átomos de una substancia radioactiva que tienen átomos diferentes Los electrones creados en esas interacciones son emitidos en forma de una poderosa radiación utilizada en biología, en la industria y en la medicina Ya quedó mencionado el hecho de para cada partícula existe una antipartícula con igual masa, pero de carga opuesta El fotón es su propia antipartícula, pues no tiene masa El positrón es la antipartícula del electrón También el antiprotón, un antineutrón y un antineutrino; la partícula sin masa creada en la emisión beta, no es un neutrino, sino un antineutrino ¿Cuántas categorías de interacción existen?

De estos procesos deduciríamos la existencia de una infinidad de categorías que incluirían una infinidad de interacciones Pero, aunque no se conoce por qué, todas estas interacciones parecen caer dentro de una de las cuatro categorías siguientes

Interacciones fuertes Interacciones electromagnéticas Interacciones débiles Interacciones gravitacionales Las interacciones electromagnéticas y gravitacionales son las más conocidas, dado que pueden surgir de experimentos en el mundo macroscópico La interacción gravitacional actúa también entre las partículas, pero es tan débil que no puede detectarse experimentalmente Los efectos de “gravitación” entre las partículas subatómicas serían las interacciones, que son las formas de existencia de cada partícula En el mundo macroscópico, el gran número de partículas que componen los cuerpos sólidos combinan su interacción gravitacional Recordemos que es de esa interacción de interacciones que se produce la fuerza de gravedad, fuerza dominante en el macrouniverso Por su parte, las interacciones electromagnéticas tienen lugar entre todas las partículas cargadas eléctricamente Esas interacciones producen las combinaciones químicas y la formación de todas las estructuras atómicas y moleculares En resumen: las interacciones fuertes unen los núcleos atómicos Las interacciones electromagnéticas unen los átomos y las moléculas y son causadas por el intercambio de fotones sin masa Ésa es la razón por las que su alcance sea indefinidamente largo, y sus interacciones eléctricas y magnéticas se perciban en el mundo entero Las interacciones gravitacionales vinculan a las estrellas y a las galaxias 87

Esto es, a lo que existe en el macrocosmos Las interacciones débiles se manifiestan sólo en ciertos tipos de colisiones y en las desintegraciones de algunas partículas La emisión beta está sujeta a este tipo de interacción En cuanto a las interacciones gravitacionales sólo hay hipótesis; una de ellas postula la existencia de una partícula sin masa, llamada “gravitón” Las interacciones débiles, tienen un alcance extremadamente corto con relación a las interacciones fuertes La que sería la fuente de donde proviene la gravedad Hay un conjunto de teorías que, a su vez, han hecho posible una teoría de campo unificada para las interacciones electromagnéticas y débiles En las colisiones de alta energía las interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles se combinan para producir una serie de interacciones En estos procesos, las partículas iniciales que colisionan pueden destruirse y, al mismo tiempo, crear partículas nuevas que colisionan nuevamente Pero al destruirse, crean otras partículas o se desintegran para formar, al final de los procesos, las partículas estables que permanecen siempre En los procesos descritos, sólo las partículas cargadas eléctricamente producen estelas en la cámara de burbujas Las partículas cargadas positivamente están unidas por campos magnéticos en el sentido de las agujas del reloj Los campos magnéticos de las cargas negativas tienen la dirección opuesta Los físicos quedan admirados con lo que observan 88

Los fenómenos naturales que suceden en nuestro entorno no tienen el poder suficiente para la creación de partículas sólidas a partir de la energía

En estas interacciones, la creación de materia es bastante extraña, pues interviene un fotón sin masa, pero con gran energía; esa energía no es visible en la cámara de burbujas; súbitamente, el fotón sin masa explota y genera un par de partículas cargadas eléctricamente: un electrón y un positrón; estas colisiones son generadas artificialmente en el laboratorio, mediante los aceleradores de partículas En el macrocosmos la situación es diferente; en los centros de las estrellas Hay colisiones parecidas a las que se producen en los laboratorios Las estrellas crean cantidades colosales de partículas subatómicas En algunas estrellas se produce una radiación electromagnética potente, en forma de ondas de radio, ondas de luz o rayos X Ése es el material que constituye la principal fuente de información que tienen los astrónomos sobre el universo El espacio entre las estrellas y el existente entre las galaxias, están llenos de radiaciones electromagnéticas de diversas frecuencias Esto es, de fotones con varias energías, pero éstas no son las únicas partículas que viajan por el cosmos ¿A qué se denomina rayos cósmicos?

Son partículas cargadas que caen a la Tierra; al parecer la tierra recibe 1000 partículas por metro cuadrado, cada segundo 89

Los rayos cósmicos provienen, en su mayoría, de las Supernovas de nuestra galaxia y están conformados por un 90% de protones Por otro lado, el sol es también una fuente de rayos cósmicos Cada segundo, el viento solar lanza, un promedio de 300 mil toneladas de gas ionizado que sopla como un viento que envuelve el sistema solar La existencia del viento solar fue predicha en 1958 por Eugene Parker de la Universidad de Chicago; los físicos pudieron observar ese fenómeno Los rayos cósmicos con más energía en sus partículas surgen en otras galaxias, de agujeros negros, pulsares y otros similares ¿Y las auroras?

Son fenómenos especiales y se producen debido a que los rayos cósmicos no se propagan en línea recta Estos rayos cósmicos poseen carga eléctrica y sus trayectorias son afectadas por el campo magnético de la Tierra Cuando estos "rayos cósmicos", altamente energéticos, llegan a la atmósfera de la Tierra, colisionan con los núcleos de las moléculas de aire El confinamiento de esas partículas cargadas da origen a la emisión de luz en la atmósfera polar La luz así emitida se llama aurora boreal o aurora austral, es un espectáculo maravilloso que ha fascinado a la humanidad desde épocas remotas Un protón que llegue desde el cosmos a la atmósfera de la Tierra puede dar origen a toda una serie de sucesos 90

La energía cinética se transformará en una lluvia de partículas absorbida a medida que penetra en el aire, experimentando varias colisiones Un continuo flujo de energía pasa por una gran variedad de modelos de partículas, en una danza de creación y destrucción, en una danza cósmica Los procesos de creación y destrucción en el mundo de las partículas sobrepasan a las que pueden ser fotografiados en la cámara de burbujas Al expresar su asombro ante estos movimientos de creación y destrucción incesantes, los sabios llegan a conclusiones increíbles Toda partícula subatómica no sólo realiza una danza de energía, sino que al mismo tiempo es en sí misma una danza de energía Un proceso perenne y pulsante de creación y destrucción Por la Ley de la Relatividad, la energía utilizada en la emisión y absorción de partículas virtuales es equivalente a una cierta cantidad de masa

Esa masa contribuye a la masa de la partícula con la que interactúa; por ello es que partículas diferentes tienen modelos diferentes de danza Cada una necesita variadas cantidades de energía, lo que hace que todas y cada tengan diferentes masas Las Partículas Virtuales son una parte esencial de las interacciones y de las propiedades de la mayor parte de ellas Como las demás, son creadas y destruidas en los procesos de interacción El mundo subatómico es de ritmo, movimiento y cambio continuo, pero no es en absoluto arbitrario y caótico; sigue patrones claros y definidos 91

Todas las partículas de una especie dada son idénticas entre sí Tienen exactamente la misma masa, la misma carga eléctrica y otras propiedades que las identifican Además, todas las partículas cargadas transportan cargas eléctricas exactamente iguales (u opuestas) a la del electrón -Profe, ahora el enigma y un ejemplo de la palabra bella Va el enigma En una caminata ¿cuál es el paso más corto? (Silencio) -el primero (¿…?) -hagan la prueba, observen cómo el primer paso recorre una distancia, digamos de 70 cm el segundo paso debe igualar al primero, es decir recorrer los 70 cm y para avanzar debe recorrer otros 70 cm y así con los demás Estas pequeñas observaciones nos sirven en el proceso de percibir con mayor probabilidad intuitiva los secretos del mundo físico (Los alumnos hicieron la prueba y se convencieron de que el primer paso, siendo el más importante, es el más pequeño)

Las leyendas y los mitos griegos son muy lindos Vayamos a la Caja de Pandora Es muy posible que la mayoría de ustedes conozca este mito, pero, al final añadiremos algo que será un desafío colectivo

En Trabajos y días, Hesíodo indica que los hombres habían vivido hasta entonces libres de fatigas y males, porque no había mujeres Pandora habría sido la primera Mujer en la Mitología Griega; la tradición cuenta que fue creada por orden de Zeus, «para castigar a los hombres» Zeus ordenó a Hefestos, el dios del fuego, que modelara una imagen de arcilla y que le concediera vida Debía tener la figura semejante a la belleza de las musas Mandó que Afrodita le otorgara gracia y sensualidad; Atenea le daría el dominio de las artes del telar Hermes le imbuiría la mentira, la seducción, un carácter inconstante y una curiosidad incontrolable Todo, para hacer de ella una especie de mal, pero bello Un don que los hombres se alegraran al recibirlo, sin saber, supuestamente que recibían un sinnúmero de desgracias Por orden del iracundo Zeus, Hefestos entregó a Pandora una jarra para que la hiciera llegar a su hermano, Apuñeteo Le recomendó, muy especialmente, que no la abriera Sabía que Pandora, por curiosidad, haría lo contrario Efectivamente, Pandora no puede vencer su curiosidad y abre la jarra Ésta contenía todos los males que desde entonces se desparramaron por el mundo El ánfora se cerró justo antes de que la Esperanza, que estaba en el fondo, fuera liberada Me gustaría preguntarles qué cosas extrañas encuentran en el Mito de Pandora 93

-es extraño que hubiera una época en la que, supuestamente, no había mujeres -los hombres, que vivían en paz, al parecer, no tenían curiosidad de nada -Zeus era un dictador -el mito de Pandora es algo machista -sí; es muy posible que la moraleja del Mito de Pandora trate de poner de relieve la curiosidad femenina -¿Alguien más?... -(¿…?) El Mito de Pandora nos motiva a lanzar una pregunta urgente ¿Consideraban los griegos que la Esperanza era un mal, para que estuviera junto con los otros males? Por otra parte, se supone se queda encerrada para siempre en la famosa caja y que el ser humano ya no tendría esperanza alguna

LAS SIMETRÍAS El Spin La mayoría de las partículas parecen girar en torno a un eje Esa especie de rotación o espín está limitada a valores definidos, que son múltiplos enteros de alguna unidad

La Tabla Periódica Las partículas existen en grupos, en “familias” Al clasificar estas partículas en conjuntos se descubrió que no tienen valores arbitrarios; al contrario, están sujetas a un número concreto Esto permite la ordenación de las partículas en unos cuantos grupos diferenciados entre sí o "familias de partículas" Al igual que las partículas subatómicas, los átomos de una clase determinada también son completamente idénticos entre sí Por eso fue posible que los tipos de átomos que conforman los elementos químicos, fueron ordenados en grupos dentro de “La Tabla Periódica” La clasificación se basa en el número de protones y neutrones que cada clase de átomo tiene en el núcleo y en la distribución de sus electrones También muestran que dos átomos serán idénticos cuando ambos estén en su "estado básico" o en el mismo "estado de excitación" que ya vimos Los modelos del mundo de las partículas muestran grandes similitudes con los esquemas del mundo de los átomos 95

¿Qué es un objeto en la física moderna?

En la física clásica un objeto era un conjunto definido de "partes componentes", pero ahora no puede ser aplicada a las partículas subatómicas Para conocer los "componentes" de estas partículas, los físicos las desintegran, bombardeándolas en procesos de colisión con altas energías No obstante, al hacer esto, lo repetimos, los fragmentos resultantes nunca son "trozos más pequeños" que las partículas originales Por ejemplo, dos protones al colisionar entre sí, pueden desintegrarse en una gran variedad de fragmentos, pero nunca darán "fracciones de protón" La descomposición de una partícula en sus "componentes" no es algo definitivo, dado que depende de la energía contenida la colisión Estamos en una situación totalmente relativista, en la que los patrones de energía dinámica son disueltos y reordenados El concepto estático de objetos compuestos y partes componentes ya no puede ser aplicado La "estructura" de una partícula subatómica puede entenderse sólo en un sentido dinámico; en términos de procesos e interacciones. La forma en que las partículas se desintegran en fragmentos en los procesos de colisión está determinada por reglas Los fragmentos son partículas del mismo tipo, por lo que las reglas pueden emplearse para describir las regularidades en esas partículas 96

Modelos de Cambio Uno de los mayores desafíos que la física cuántica enfrenta, se refiere a las razones por las que existen simetrías en el mundo subatómico El desafío incluye la necesidad de tomar en cuenta, simultáneamente, la teoría cuántica y la teoría de la relatividad Los patrones seguidos por las partículas parecen reflejar su "naturaleza cuántica", dado que similares patrones se dan en el mundo de los átomos Pero en la física de las partículas, estos modelos no pueden ser explicados como modelos de onda, en el marco de la teoría cuántica Las energías son tan elevadas que exigen aplicar la teoría de la relatividad Sólo una teoría "cuántico-relativista" de las partículas, podría explicar las simetrías observadas y pronosticar adecuadamente los comportamientos La teoría del campo cuántico fue el primer modelo de este tipo; describió las interacciones electromagnéticas entre los electrones y los fotones A pesar de ello, resultó mucho menos apropiada para describir las partículas vinculadas por una interacción fuerte Los físicos decidieron que para entender esos procesos era necesario contar con nuevos modelos de matemáticas Únicamente las nuevas matemáticas, por medio de sus ecuaciones, podrían describir de un modo dinámico la gran variedad de modelos Estas "reacciones entre partículas", son esenciales de las interacciones fuertes y necesitan ser explicados por un modelo cuántico-relativista

¿Qué es la Simetría, profe?

Una partícula es simétrica si luego de una interacción con otra, mantiene la forma y propiedades que tenía antes de la interacción La simetría se aplica a las partículas, a los grupos de partículas y a las interacciones que lleva a cabo Estas interacciones de simetría son útiles, porque están íntimamente relacionadas con las llamadas "leyes de conservación" Cualquier proceso en el mundo de las partículas sucede con algún grado de simetría y genera una cantidad que "se conserva" Esa cantidad permanece inalterable durante el proceso y proporciona elementos constantes a la vibrante danza de la materia subatómica Por ello son ideales para describir las interacciones entre las partículas Las simetrías que se dan en las propiedades de las partículas aparecen como leyes de conservación en sus interacciones Los físicos utilizan ambos conceptos como sinónimos, refiriéndose unas veces a “la simetría de un proceso” y otras a “la ley de conservación” Lo hacen según sea lo más conveniente en cada caso particular ¿Qué es la Ley de la Conservación? Todas las interacciones entre partículas son simétricas con relación a sus desplazamientos en el espacio 98

Es decir, tendrán el mismo aspecto, indistintamente del lugar en el que sucedió la interacción correspondiente También son simétricas con respecto a sus desplazamientos en el tiempo La simetría en el espacio está relacionada con la conservación del momento, la simetría en el tiempo, con la conservación de la energía. El momento y la energía total de las partículas en una interacción, incluyendo sus masas, será el mismo antes y después de la interacción La tercera simetría básica se define con relación a la orientación espacial En una colisión de partículas, no hay diferencia si las partículas colisionantes se aproximan una a la otra en un eje orientado norte-sur o este-oeste Por esta simetría, la cantidad total de rotación en un proceso, que incluye los espines de las partículas individuales, se conserva permanentemente Por último, tenemos la conservación de la carga eléctrica En este caso, el funcionamiento de la simetría es más complicado, pero en su formulación como ley de conservación es muy simple La carga total transportada por todas las partículas contenidas en una interacción permanece siempre constante

Queremos saber qué son los quarks Un quark es una partícula elemental y, a su vez, un componente fundamental de la materia 16T

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Los quarks se combinan para formar partículas compuestas llamados hadrones, las más estables de los cuales son los protones y los neutrones 16T

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Recordemos que los protones y neutrones son los componentes de los núcleos atómicos 16T

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Debido a un fenómeno conocido como “confinamiento de color”, los quarks no se observan directamente 16T

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Por esta razón, gran parte de lo que se conoce acerca de los quarks se ha establecido a partir de observaciones indirectas de otras partículas 16T

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En su obra, “Historia del Tiempo”, Hawking, al referirse a estas nuevas partículas, hizo una analogía con las muñecas rusas o matrioskas 8T

Cada muñeca contiene a otra más pequeña…, así sucesivamente, hasta llegar a la última más pequeña; pero lo quarks no son indefinidos 8T

Si el proceso siguiera indefinidamente, la partícula tendría una cantidad de energía tan enorme que ya habría destruido el espacio-tiempo ¿Podemos saber que es la Constante de Planck? El límite de la energía es la constante de Planck, un valor numérico fijo que aparece en las ecuaciones de física cuántica 29T

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El valor es tan diminuto que, si una partícula tuviera un tamaño más pequeño que ese valor, colapsaría sobre sí; eso es lo que se creyó Pero hay modernas teorías que permiten analizar regiones aún más pequeñas y que son otros modelos de física, tal como la Teoría de Cuerdas 29T

Abordaremos el tema de la Teoría de Cuerdas un poco más adelante Los quarks estarían unidos por fuerzas de atracción muy grandes El esquema quark continúa siendo eficiente para explicar las regularidades halladas en el mundo de las partículas En el modelo original de Gel-Mann, todos los hadrones podrían estar constituidos por tres clases de quarks y sus respectivos antiquarks 100

Los Colores, el Encanto y el Sabor

A pesar de ello, los físicos han tenido que postular quarks adicionales para explicar la gran variedad de patrones La primera extensión de este modelo, determinó que cada quark apareciera en tres variedades diferentes, o "colores" El término “color” es un vocablo cuyo significado no guarda relación alguna con la definición real de lo que es un color La introducción del “color” aumentó el número total de quarks a nueve; luego se postuló un quark adicional, que aparecía en tres colores Este nuevo quark fue denominado "charm" (encanto) lo que elevó el número total de quarks a doce: cuatro clases, cada una de ellas en tres colores Cuando se hizo necesario distinguir los tipos de quarks de los diferentes colores, los físicos no tardaron en introducir un término para ello Ese término fue "sabor"; ahora hay quarks de diferentes colores y sabores, tal como los helados en las heladerías; todo figurado por supuesto ¿Y la Matriz-S?

Fue una propuesta hecha por Heisenberg en 1932 y desarrollada desde entonces a partir de estructuras matemáticas La matriz-S parece muy adecuada para describir las interacciones fuertes y se refiere a los procesos de “colisión o dispersión" 101

En la teoría de la Matriz-S, el énfasis pasa de los objetos a los sucesos El objeto principal no son las partículas, sino sus reacciones La teoría cuántica ha dejado claro que una partícula subatómica puede ser entendida sólo en una interacción entre varios procesos de medición No es un objeto aislado, sino más bien un acontecimiento, un suceso, que se interrelaciona con otros sucesos de un modo particular En palabras de Heisenberg: (En la física moderna) hemos dividido el mundo no en diferentes grupos de objetos, sino en grupos distintos de conexiones... Lo que podemos distinguir es el tipo de conexión más importante para un cierto fenómeno... De este modo el mundo aparece como una complicada telaraña de sucesos, donde conexiones de diferentes especies se alternan, se trasladan o se combinan, determinando así la textura de la totalidad. La teoría de la relatividad obliga a concebir las partículas en términos espaciotemporales, es decir, como modelos cuatridimensionales También como procesos más que como objetos; el enfoque de la matriz-S combina estos dos puntos de vista en uno solo Cada reacción incluye partículas que las une a otras reacciones, edificando de este modo toda una red de procesos sobre la base de las interacciones Así, las reacciones entre las partículas representan un flujo de energía en el cual se crean y se disuelven partículas Son fenómenos tan efímeros que los físicos se mostraron poco dispuestos a clasificarlos como partículas Al presente, la identificación de sus propiedades es un desafío y una de las mayores tareas de la física experimental de las energías altas Todas las partículas son consideradas como estados intermedios de una red de reacciones 102

En la teoría de la matriz-S, al igual que en la teoría del campo, las fuerzas de interacción están asociadas con las partículas Las fuerzas de interacción nos permiten deducir que todas las partículas conocidas deben tener algún tipo de estructura interna Sólo así podrán relacionarse con el observador y ser detectadas Geoffrey Chew, uno de los principales constructores de la teoría de la matriz-S dice al respecto "… el simple conocimiento de la existencia de una partícula, implica que la partícula posee estructura interna. El desafío actual de la teoría de la matriz-S, es explicar las simetrías que dan origen a los modelos de interacción y a las leyes de conservación

¿A qué se refieren las variables locales? En la física clásica, la probabilidad se emplea cuando se desconocen detalles implícitos en un fenómeno Por ejemplo, cuando tiramos los dados, podríamos en principio, predecir el resultado, si conociésemos todos los detalles mecánicos de la operación La composición exacta de los dados, de la superficie sobre la que caen… Estos detalles reciben el nombre de Variables Locales porque están dentro de los objetos implicados En la física subatómica las variables locales están representadas por conexiones, a través de señales, entre eventos separados espacialmente Se creía que ninguna señal podía transmitirse más rápidamente que la velocidad de la luz; pero hay nuevos descubrimientos en las conexiones 103

Estos descubrimientos encontraron “Las Variables no Locales” Las Variables No-locales No son conexiones locales; más bien son conexiones instantáneas y no pueden predecirse, en el momento actual, ni aún con un modelo matemático Estas conexiones no locales son consideradas por algunos físicos como la misma esencia de la realidad cuántica En la teoría cuántica los fenómenos individuales no siempre tienen una causa bien definida; v. g, el salto de un electrón de una órbita a otra También la desintegración de una partícula subatómica puede ocurrir de forma espontánea, sin causa alguna que los provoque No es posible predecir cuándo y cómo va a suceder tal fenómeno; todo lo que se predice es la probabilidad de que suceda Pero es preciso anotar que los sucesos atómicos no ocurren de una manera arbitraria, aunque no son provocados, necesariamente, por causas locales El comportamiento de cualquier parte está determinado por sus conexiones no locales con el conjunto Dado que los físicos no conocen estas conexiones con precisión, tienen que sustituir el estrecho concepto clásico de causa y efecto Ahora, las leyes de la física atómica son leyes estadísticas ¿Algo más antes de terminar la clase? -sí profe, nos gustaría tratar de resolver otro acertijo del pensamiento lateral -aquí va ¿Qué es aquello que no se mueve, pero penetra tu cuerpo no llega a tu alma porque es gran amigo del hielo? 104

(Los alumnos van proponiendo soluciones y, simultáneamente, ellos mismos las descartan, en el marco del pensamiento lateral) -el aliento de un dragón -el soplo de un murciélago inmenso -el veneno de una víbora -los rayos cósmicos -una triste noticia, aunque no es necesariamente amiga del hielo -un pensamiento tridimensional -creo que debe ser algo que entra con el aire, necesariamente -siendo amigo del hielo, debe ser algo helado -no lo vemos y es amigo del hielo, por lo tanto, lo único que puede reunir los requerimientos anotados, sería el frío Ésa es la respuesta y la obtuvieron tal como el pensamiento lateral dispone: compartir las ideas y empezar por las más absurdas; recuerden que los físicos consideran absurdas las respuestas que les da la naturaleza cuando le preguntan algo; el pensamiento lateral les servirá a ustedes para familiarizarse con el absurdo como punto de partido y de allí arribar a una solución lógica. En lo que se refiere a la belleza de la palabra, voy a citarles dos fragmentos de la obra de William Shakespeare “Julio César”

Luis Astrana Marín tradujo todas las obras de Shakespeare, las que fueron publicadas por la Casa Editora “Aguilar” y las que son mis preferidas Algunos personajes de la obra creen que Julio César tiene la intención de proclamarse Dictador, por lo que conspiran para matarlo Se trata ahora de justificar el crimen Bruto, el líder de la confabulación, se dirige a la multitud que rodea el cuerpo asesinado de Julio César para explicar el porqué del hecho 105

Les recomiendo que pongan atención a la belleza del lenguaje, aun tratándose de una traducción de la obra, desde su idioma original Un ciudadano dice: el noble Bruto ha subido a la tribuna ¡Silencio! (Bruto toma la palabra) Oídme defender mi causa y guardad silencio para que podáis oírme Si hubiese en esta Asamblea alguien que profesara entrañable amistad a César, a él le digo que el afecto de Bruto por César no era menos que el suyo Si esa persona preguntara porqué Bruto se alzó contra César, esta es mi contestación: “no porque amaba a César menos, sino porque amaba a Roma más ¿Preferirías que César viviera y vivir todos esclavos a que esté muerto César y todos vivir libres? Porque César me apreciaba, le lloro; porque fue afortunado le celebro; como valiente le honro pero, por ambicioso, lo mato Lágrimas hay para su afecto; júbilo para su fortuna; honra para su valor, muerte para su ambición ¿Quién hay aquí tan abyecto que quera ser esclavo? ¡Si hay alguien, que hable, pues a él he ofendido! ¿Quién hay aquí tan estúpido que no quiera ser romano? ¡Si hay alguno que hable pues a él he ofendido! ¿Quién hay aquí tal vil que no ame a su patria? ¡Si hay alguien, que hable, pues a él he ofendido Todos responden: ¡Nadie Bruto, nadie! Entonces a nadie he ofendido ¡No he hecho con César sino lo que vosotros haríais con Bruto; los motivos de su muerte están escritos en el Capitolio; su gloria no se amengua en cuanto la merecía, ni se exageran sus ofensas por las cuales ha sufrido la muerte 106

(En ese momento aparece Marco Antonio ayudando a traer el cuerpo de Julio Cesar) Bruto dice: Aquí llega su cuerpo que, doliente, trae Marco Antonio, quien, aunque no tomó parte en su muerte, percibirá los beneficios de ella, o sea, su puesto en la República Me despido; al igual que he muerto a mi mejor amigo por la salvación de Roma, tengo el mismo puñal para mí, cuando plazca a mi patria, necesitar mi muerte (Todos) ¡Viva Bruto! ¡Viva, viva! Conduzcámoslo hasta su casa Bruto les dice: queridos compatriotas, dejadme marchar solo y, en obsequio mío quedaos aquí con Antonio; honrad el cadáver de César y escuchad la apología (Se quedan y murmuran: lo mejor sería que no hablara mal de Bruto) Marco Antonio habla: ¡Amigos romanos, compatriotas, prestadme atención! ¡Vengo a inhumar a César, no a ensalzarlo ¡El mal que hacen los hombres les sobrevive! ¡El bien queda sepultado con sus huesos! (En ese momento, el profe calla; los alumnos le piden que continúe con el discurso de Marco Antonio, entonces el profe les dice) Para averiguarlo, no tienen más que ir a las Obras Completas de Shakespeare, traducción de Luis Astrana, Editorial Aguilar (La clase termina)

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LA MAGIA CÓSMICA Mientras que las variables ocultas en la física clásica son mecanismos locales, las de la física cuántica son no-locales Son conexiones instantáneas con el universo y en el universo Es necesario insistir en el hecho de que uno de los fenómenos más sorprendentes de las partículas subatómicas es que se pueden relacionar entre ellas a grandes distancias y de manera instantánea Las conexiones no locales se hacen instantáneamente entre dos partículas, independientemente de la distancia que las separa A medida que la observación se orienta hacia dimensiones subatómicas, la influencia de las conexiones no locales se hace más fuerte Cada vez se hace más difícil separar cualquier parte del universo de su propia totalidad La existencia de conexiones no locales, y el papel fundamental jugado por la probabilidad, fue algo que Einstein nunca pudo aceptar Einstein creía en la existencia de Variables Locales Ocultas En su debate con Bohr en la década de 1920, Einstein expresó su oposición a la interpretación de Bohr sobre la teoría cuántica con su frase: "Dios no juega a los dados con el universo" Finalizado el debate, Einstein admitió que la teoría cuántica, defendida por Bohr y Heisenberg, formaba un sistema de pensamiento consistente 108

¿Qué hay del experimento EPR y las variables ocultas? En una intención adicional de mostrar que la interpretación de Bohr sobre la teoría cuántica era incongruente, Einstein ideó un experimento Fue conocido, como el experimento Einstein Podolskv-Rosen (EPR) Se intentaba medir, simultáneamente, el momento y la posición de una partícula sin observarla directamente, para no contaminar el resultado En 1935 Albert Einstein postulaba que objetos del universo están influidos sólo por su entorno más próximo, o bien por ‘variables ocultas’ Según su percepción, esas “variables ocultas” las relacionarían si los objetos sujetos al experimento estuvieran más lejos Einstein no aceptaba el hecho de que dos objetos muy distanciados pudieran comunicarse entre sí de forma instantánea Fiel a su teoría, afirmaba que no podía haber transmisión alguna de información a velocidades superiores a la de luz. En 1964, John Bell propuso demostrar que el planteamiento cuántico está en lo cierto, que las variables ocultas de Einstein no existen Los experimentos fueron realizados con dos electrones separados más de un kilómetro en el campus de su universidad Los resultados mostraron la existencia de una conexión invisible e instantánea, es decir, se demostraron que la transferencia inmediata es real ¿Los electrones se entrelazan?

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El experimento del que hablamos en el capítulo anterior entrelazó dos electrones atrapados en dos diamantes Cada uno estaba alejado del otro por una distancia de 1280 m Registraron la orientación de su spin y descubrieron que el entrelazamiento es una propiedad cuántica que “pone de acuerdo’ a las partículas” Fue imposible que hubieran tenido “orientaciones preestablecidas”, como Einstein había sugerido No hubo tiempo para que los electrones pudiesen transmitir información entre ellos, ni siquiera con una señal viajando a la velocidad de la luz Esto puso en duda el denominado "realismo local" de Einstein Creía que dos objetos alejados no podían interactuar entre sí; solamente podrían hacerlo en forma individual con su entorno inmediato A pesar de la opinión de Einstein, las orientaciones de los electrones estudiados son reales Estas partículas se han comunicado de alguna manera, y lo han hecho a una velocidad mayor que la luz Por ejemplo, la cantidad de espín es siempre la misma, pero el electrón puede girar en sentido de las agujas del reloj o, al contrario ¿De qué trataba el experimento EPR?

Una vez entendido el comportamiento del espín del electrón, podemos examinar el experimento EPR y el teorema de Bell

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En el experimento intervienen dos electrones rotando en direcciones opuestas, para que su espín total sea cero Las direcciones de los espines individuales no se conocen con seguridad, pero el espín combinado de ambos electrones es definitivamente cero Ahora, supongamos que estas dos partículas son impulsadas por separado A medida que se alejan en direcciones opuestas, su espín combinado seguirá siendo cero, no importa la distancia Dicen que las partículas pueden comunicarse instantáneamente, sin importar las distancias

Un aspecto importante del experimento es el hecho de que la distancia entre las dos partículas puede ser extraordinariamente grande Una partícula puede estar en América y la otra en Europa; inclusive, una en nuestro planeta y la otra en la Luna Supongamos ahora que el espín de la partícula A es medido a lo largo de un eje vertical y lo percibimos "arriba" Dado que el espín combinado de las dos partículas es cero, esta medición nos dice que el espín de la partícula B debe estar "abajo" Así pues, al medir el espín de la partícula A, obtenemos una medición indirecta del espín de la partícula B sin perturbar ninguna partícula El aspecto complementario del experimento EPR es que el observador es libre de elegir el eje de medición sin transformarlo Al lograr una transformación en una partícula observa el efecto en la otra 111

La teoría cuántica establece que las rotaciones de los dos electrones alrededor de cualquier eje serán siempre opuestas Una vez que el observador elija un eje determinado y realizado la medición, este acto dará a ambas partículas un eje determinado de rotación El punto crucial es que podemos elegir nuestro eje de medición en el último minuto, cuando los electrones están ya muy separados Realizada la medición sobre la partícula A, la partícula B, que puede estar muy alejada, adquirirá un espín definido a lo largo del eje Dicen que las partículas pueden comunicarse como los enamorados ¿Cómo sabe la partícula B qué eje hemos escogido? no existe el tiempo para que reciba esa información mediante ninguna señal convencional. Este es el punto clave del experimento EPR, y en lo que Einstein difería Según Einstein, ninguna medición efectuada en un electrón puede determinar instantáneamente la dirección del espín del otro electrón Consecuente con su teoría, afirmaba que ninguna señal podía viajar a mayor velocidad que la de la luz Sería imposible que la medición en un electrón determinara instantáneamente la dirección del espín del otro electrón a miles de kilómetros Por su parte, Bohr postula que el sistema bi-partícula forma un todo indivisible, aunque estas partículas se hallen separadas por una gran distancia Aunque los dos electrones estén muy separados en el espacio, estarán unidos por conexiones instantáneas no-locales 112

Ese todo no puede ser analizado en términos de partes independientes Estas conexiones no son señales en el sentido de Einstein; trascienden nuestras ideas convencionales sobre la transferencia de información El teorema de Bell apoya la postura de Bohr y refuta a la de Einstein El teorema de Bell demuestra que el universo está fundamentalmente interconectado, que es interdependiente e inseparable ¿Algún otro problema adicional con el fenómeno de entrelazamiento a grandes distancias?

Uno de los problemas por resolver es la unificación de la teoría cuántica y la teoría general de la relatividad, en una teoría cuántica de la gravedad Queda claro que los progresos realizados en las teorías de la "supergravedad" pueden representar un paso hacia la solución de este problema Estas teorías han venido a sustituir la idea de las partículas, como objetos básicos, por el concepto mucho más sutil de los campos cuánticos No obstante, tratan también con entidades básicas, por lo que, en cierto sentido, son teorías semiclásicas Teorías que no manifiestan la naturaleza cuántico-relativista de la materia subatómica en toda su extensión El bosón de Higgs El bosón de Higgs es una partícula que permite conocer el mecanismo por el cual se originan la masa de las partículas elementales Es la partícula asociada al “campo de Higgs”, campo continuo que se extiende por el espacio formado por incontables bosones de Higgs 113

La masa de las partículas sería el resultado de una "fricción" con el campo de Higgs: las partículas con una mayor fricción tendrán una masa mayor Los físicos teóricos afirman que el bosón de Higgs era la pieza que faltaba por descubrir en el Modelo Estándar de Física de Partículas Es precios anotar que el Modelo Estándar de la Física de Partículas es la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones Antes del bosón de Higgs, no se podía explicar el origen de la masa Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente: si el electrón no tuviera masa no habría átomos y la materia no existiría El bosón de Higgs no puede ser observado directamente, ya que su proceso de desintegración es inmediato El bosón es producido en aceleradores de partículas y reconstruido a partir de las partículas producidas en su desintegración Según la ecuación de Einstein, la energía y la masa pueden transformarse entre sí, por lo que se construyeron aceleradores más poderosos El objetivo de esos aceleradores fue producir partículas más pesadas Después de varias décadas de investigación, en 2012 se anunció del descubrimiento de la nueva partícula pronosticada por el bosón de Higgs Esta nueva partícula tiene 134 veces la masa del protón y es el bosón (partícula portadora de fuerza) más pesado observado hasta ahora El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC ha tenido una extraordinaria repercusión, que va más allá de las fronteras de la física El hallazgo sería uno de los más importantes de las últimas décadas, por méritos de los Nobel en 2013: Peter Higgs, François Englert y el CERN. 114

¿Qué es el LHC?

Es el Gran Colisionador de Hadrones, al que se lo conoce por LHC, debido a las siglas en inglés de: Large Hadron Collider Es el mayor acelerador de partículas del mundo Tiene un túnel de 27 km de circunferencia Fue diseñado para colisionar conjuntos de protones y establecer la validez y límites del Modelo Estándar, marco teórico de la física de partículas En los experimentos, los físicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas CERN, hacen chocar entre sí partículas subatómicas Principalmente protones, que son uno de los nucleones del átomo; las colisiones se dan en puntos seleccionados donde se ubican detectores Dentro del Colisionador los protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz Luego se los hace chocar entre sí La colisión produce energías muy grandes y permiten simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang Luego se lo hace enfriar hasta 2 grados por encima del cero absoluto, esto es, -271.15 grados Celcio La temperatura del cero absoluto es -273.15 Los físicos realizan estudios sobre los modos en que se produce el bosón de Higgs en el LHC y cómo se desintegra en otras partículas más ligeras

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Aproximadamente solo en una de cada billón de colisiones del LHC se puede llegar a producir un bosón de Higgs ¿Qué es el Pentaquark?

Es una nueva forma de materia descubierta en 2015, por el laboratorio europeo de física de partículas CERN Habían descubierto una nueva partícula: el pentaquark cuyo nombre deriva del hecho de estar compuesto de cinco partículas fundamentales. A nivel subatómico, la materia se organiza de diferentes maneras Los protones y los neutrones, por ejemplo, están formados por tres quarks Otro tipo de estructura identifica a los mesones, formados por pares de quarks hechos de materia y antimateria Más allá de estas dos categorías, se sabía que la materia podía estar compuesta de otras variantes no observadas El experimento permite encontrar una nueva variante formada de cuatro quarks de materia convencional y un antiquark, hecho de antimateria Guy Wilkinson nos hace saber que vieron un pico en las gráficas muy parecido al que se veía cuando el bosón de Higgs fuera descubierto Hasta el momento, las propiedades de la partícula descubierta parecen compatibles con las predicciones del Modelo Estándar Cierto que aún es pronto para descartar otras teorías como supe simetría que predice la existencia no de uno, sino de varios bosones de Higgs En cualquier caso, el descubrimiento abre una nueva puerta a la comprensión de otras preguntas fundamentales de la Física 116

Otro hallazgo importante fue el de la Teoría de Cuerdas es uno de los modelos más importantes de la física teórica actual ¿Qué les parece la Física Cuántica? ¿Creen que algún día uno o varios de ustedes se dedicarán a la Física Cuántica o a la Astrofísica? -yo pienso ser Físico Cuántico -yo seré Astrofísica algún día (Varios alumnos expresan su deseo de ser, algún día, los continuadores de Hawking, Einstein, Borh, Heisenberg…) Queridos alumnos, ahora pasaremos a resolver algunos problemas que Edward Bono, el creador del pensamiento lateral, nos plantea Para esto, es necesario que dividamos el curso en 5 grupos de cuatro (Los alumnos conforman los cinco grupos) Fíjense en las siguientes figuras geométricas: ¿Qué ven?

¡Un Cuadrado!

Ahora tratemos con las siguientes figuras

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Esta vez los grupos tardan menos en llegar a la solución De tal manera que todos muestran el resultado

¡Un Rectángulo!

Como de costumbre, lo hicieron muy bien; en las próximas clases seguiremos la resolución de problemas planteados por Edward Bono -Profe: falta la palabra bella En el mar de las orillas sin fin, las aguas son azules de hierro, las olas se encabritan ante la fuerza terrible de algún cuázar Un témpano de fuego barloventa a sotavento; contravira la inminente zozobra; no hay llamas que se prendan de llamas, su fuego es quedo de rojo Con la textura de la espuma del acero; todas las tempestades huracanan en sus órbitas; el tifón de los mares danza con el simún del desierto El corazón del cosmos late, late una esperanza, cuando libre al viento De pronto, una gotita de agua anuncia su presencia en el maremagnun de fuerza y de Misterio: ¡Es una lágrima…! ¡Es una lágrima! de gratitud lanzada por algún humano en proceso Clarísima brilla en la tormenta de las olas infinitas El corazón del Cosmos palpita; Cada pálpito crea un nuevo universo ¡Una lágrima en el centro del Cosmos! El témpano llora como un diamante de fuego Díganme: ¿Aparte del lenguaje, encuentran un sentido al párrafo? 118

-sí, profe; es la expresión de extrañeza que los humanos sienten al encontrar un corazón sincero No hay nada que hacer: ustedes son lo máximo

11 LA TEORÍA DE CUERDAS La teoría de cuerdas surgió a finales de los 60; sólo llamó la atención de unos pocos y nadie la tomó en serio Pero desde los 80, se ha hecho cada vez más conocida y más aceptable en el mundo académico de la Física Moderna, o cuántica, que es lo mismo El modelo estándar, que es el nombre del esquema de la física actual, sigue planteando muchos interrogantes La teoría de cuerdas parece dar algunas respuestas El problema es que, con los medios de que se dispone, es imposible comprobar la teoría, por lo que no todos los científicos la aceptan Existen diversas teorías sobre la naturaleza y funcionamiento del Cosmos La teoría de cuerdas postula que las partículas más más pequeñas son filamentos de energía; una especie de cuerdas que vibran Cada tipo de vibración produciría un tipo u otro de partícula

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Esas vibraciones tendrían cualidades distintas, tal como las vibraciones de las cuerdas de un chelo, que producen distintas notas Las cuerdas serían muchísimo más pequeñas que un quark, por eso no sería posible observarlas directamente Pero pueden ser deducidas matemáticamente Hoy se cree que la materia del universo no está hecha de pequeñas partículas, sino que está formada de pequeñísimas cuerdas Las partículas de materia serían cuerdas muy pequeñas De acuerdo con esta teoría, el electrón no es un punto, más bien es una cuerda en forma de lazo que vibra y se desplaza de un sitio a otro La vibración de la cuerda nos permitiría ver un electrón, un mesón un quark, o cualquier otra partícula Las notas emitidas por la cuerda variarían en función de la frecuencia de vibración, al igual que la vibración de una la cuerda musical Con la teoría de cuerdas se espera lograr una teoría unificadora de todas las teorías de la física del universo Sería la teoría del todo; por lo que la teoría de las cuerdas debía explicar primero el nacimiento del universo Esta teoría termina con el concepto clásico del punto-partícula Ahora, queridos alumnos, haré una digresión muy importante Hay ocasiones en que las teorías de los filósofos antiguos nos llenan de una sensación muy sólida de asombro y de curiosidad Por ejemplo, la teoría de cuerda actual, tiene un antecedente en la percepción de un gran filósofo-matemático griego que ustedes conocen muy bien

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Se trata de Pitágoras (573-496) ustedes conocen el famoso teorema: el cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma del cuadrado de sus catetos 10T

10T

Según Protágoras La Naturaleza estaría escrita en números; el 10 era el número perfecto; habría 10 cuerpos alrededor del fuego central (Sin duda el sistema planetario) Deducía que debía existir otro fuego, la Anti-Tierra que sugiere el de la anti-materia de la Física actual

De las relaciones matemáticas y la escala musical dedujo la “música de las esferas», sonidos que serían emitidos por los cuerpos celestes La armonía del Universo consistiría en el orden de los cuerpos celestes separados por intervalos armónicos, unos de los otros Estos intervalos eran equivalentes a los de las cuerdas armónicas de los instrumentos musicales No hay necesidad de insistir en la semejanza de una visión actual, la teoría de cuerdas, y una de hace 2500 años, sobre “la música de las esferas” 10T

La teoría de cuerdas postula que una cuerda puede moverse y puede oscilar de diferentes maneras Si oscilara de cierta manera, entonces identificaríamos, v.g, un electrón; si oscilara de otro modo, veríamos un fotón o un quark La teoría fue ampliada con la de las “Supercuerdas” o la Teoría M, cuyo postulado también se aleja de la concepción punto-partícula Jöel Scherk y John Henry Shwarz publicaron, en 1974, un artículo audaz

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Postularon que una teoría basada en objetos unidimensionales o "cuerdas" en lugar de partículas puntuales, podía describir la fuerza gravitatoria Es una de las teorías que ofrece mayores expectativas de unificar las cuatro grandes fuerzas de la Naturaleza

¿Qué dice la Teoría de las Supercuerdas? La teoría de súper cuerdas es un esquema teórico que intenta integrar todas las partículas y fuerzas de la naturaleza en una sola teoría Modela las partículas y campos físicos como vibraciones de delgadas cuerdas súpersimétricas Esas cuerdas se mueven en un espacio-tiempo de más de 4 dimensiones La teoría de las súpercuerdas comprende cinco teorías de cuerdas combinadas, más la Supersimetría La “teoría de cuerdas” y la de “súper cuerdas” se usan indistintamente Lo importante es el postulado de que las partículas son cuerdas que vibran en una resonancia dentro de la frecuencia de la longitud de Planck En esas dimensiones, el gravitón sería una cuerda con spin y una masa nula Ya se ha podido probar que varias de estas formulaciones son equivalentes y tras todas ellas podría existir una teoría unificada o Teoría del Todo ¿Qué sería entonces, la Súpersimetría? La Súpersimetría postula la existencia de pares de partículas gemelas

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Dado que se cree que las cuatro fuerzas estuvieron unidas al comienzo del universo, la súpersimetría intenta explicar el porqué de la separación Por eso es que forma parte de la Teoría del Todo La teoría postula que a cada partícula le corresponde una compañera supersimétrica; por ejemplo, un bosón tendría como simétrica al fermión Las partículas supersimétricas de los fermiones serían bosones y reciben nombres que comienzan con la letra s La súper compañera del electrón sería el selectrón, y los quarks tendrían a los squarks Las super compañeras de los bosones son fermiones con nombres que terminan en -ino, así la del fotón es el fotino y la del gravitón, el gravitino Los físicos teóricos dicen que algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían explicar la existencia de la materia oscura del universo La Teoría de la gran unificación y de la Teoría de supercuerdas, asumen los principios de las supercuerdas y por ello, con las supersimétricas Según el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones) Las partículas que transmiten las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza serían los bosones Algunas partículas supersimétricas, como el neutralino, podrían explicar la existencia de la materia oscura del universo Por otra parte, la mayoría de las teorías postula que la Teoría de la gran unificación y de la Teoría de supercuerdas, son supersimétricas A pesar de los argumentos teóricos, hasta ahora no se ha podido demostrar experimentalmente que la supersimetría exista en la naturaleza 123

No se ha observado aún ninguna super compañera de alguna partícula 49T

La Teoría M Las cinco teorías de cuerdas y super cuerdas serían casoslímite particulares de esta teoría unificada, a la que se conoce como Teoría M Postula que cierta vibración de cuerdas daría lugar a una partícula llamada gravitón, que sería la responsable de la gravedad De esta forma unificaría la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza, algo que hasta ahora el modelo estándar no ha podido lograr Las cuerdas más grandes formarían una especie de membranas o branas; cada membrana sería un universo El choque entre dos branas produciría un nuevo Big Bang y, como resultado, un nuevo universo; el nuestro sería sólo uno entre muchos No habría comienzo ni final, sino ciclos entre un big bang y el siguiente La teoría postula la existencia de 10 dimensiones espaciales y una temporal, las que estarían en las propias cuerdas, y por eso no las percibiríamos Arthur Eddington decía que el mundo no sólo es más extraño de lo que imaginamos, es, incluso, más extraño de lo que podemos llegar a imaginar La teoría-M admite también branas de dimensión superior o "p-branas" Se moverían en un espacio matemático que postula una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales ordinarias y siete dimensiones compactadas

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Todas son inobservables en la práctica; pero los físicos teóricos dicen que la teoría p-branas puede explicar la existencia de universos paralelos Vimos que una simetría es una propiedad física o matemática de un sistema que es preservado después de una transformación La Teoría M intenta explicar, a la vez, todas las partículas subatómicas y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza La teoría concibe el universo como conjuntos de cuerdas vibrantes y es una versión de la teoría de cuerdas que incorpora la super simetría Lo dijimos ya, el principal problema de la física actual es incorporar la gravedad al resto de las fuerzas físicas ya unificadas La teoría de las super cuerdas podría unir las teorías ¿Qué dice la teoría del Agujero de Gusano? Los físicos cuánticos tienen un gran sentido del humor, ya lo comprobamos en el uso de sabor, color, encanto para diferenciar a las familias de partículas El nombre de agujero de gusano fue propuesto en 1957, por el físico teórico estadounidense John Wheeler y se deriva de una analogía Supongamos que el universo es la cáscara de una manzana y un gusano peregrina sobre su superficie La distancia de un punto de la manzana a su antípoda es igual a la mitad de la circunferencia de la manzana Si el gusano cavara un agujero directamente a través de la manzana, la distancia que tendría que recorrer sería mucho menor Los agujeros de gusano conectarían una posición de un universo con otra posición del mismo universo en un tiempo diferente 125

Lo harían debido al doblamiento del universo De esta manera se podría viajar entre ellas en un tiempo mucho menor que el que tomaría hacer el viaje a través del espacio normal Los agujeros de gusano que asocian un universo con otro diferente, se denominan «agujeros de gusano de Schwarzschild» Quizá en el futuro los agujeros de gusano puedan ser utilizados para viajar de un universo a otro paralelo Otra aplicación de un agujero de gusano podría ser el viaje en el tiempo Sería un atajo para desplazarse de un punto espaciotemporal a otro La Teoría del Todo En la corriente principal de la física actual, la Teoría del Todo tiene como objetivo unificar todas las interacciones fundamentales de la naturaleza 19T

Recordemos que son cuatro: fuerza gravitacional, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y la electromágnetica El electromagnetismo y la fuerza débil parecen distinguirse a bajas energías porque las partículas traen fuerzas débiles Los bosones W y Z tienen masa, mientras que el fotón que trae la fuerza electromagnética, no la tiene Cuando la energía es alta, los bosones W y Z pueden crear masa fácilmente y la naturaleza unificada de las fuerzas parece emerger Además de las fuerzas citadas, la cosmología requiere una fuerza inflacionaria, energía oscura y también materia oscura Esas formas que se encuentran en el universo están compuestas de partículas fundamentales fuera de la escena del modelo estándar 126

Materia Oscura A mediados del siglo XIX John C. Adams y Urbain Le Verrier, coincidieron en identificar la existencia de un fenómeno extraño El movimiento del planeta Urano no seguía las leyes de Newton Para explicarlo, postularon la existencia de un planeta nunca visto, capaz de "perturbar" el movimiento de Urano con su atracción gravitatoria. En 1846 Johann G. Galle y Louis d'Arrest, pudieron observarlo Era el planeta Neptuno Neptuno era real, pero había sido una masa invisible cuya presencia sólo se infería debido a su fuerza de gravedad que afectaba a otros planetas Al parecer, los hallazgos no vienen solos; no vienen de uno en uno Para explicar las variaciones de la órbita de Mercurio, en 1860 Le Verrier propuso la existencia de otro planeta entre el Sol y Mercurio El objeto estelar se llamó "Vulcano, pero nadie pudo confirmar esas observaciones, y la existencia de Vulcano siguió siendo un misterio A pesar de todo, en 1916, el movimiento anómalo de Mercurio quedó explicado con la Relatividad General Mercurio está muy cerca del Sol y por eso la gravitación newtoneana no es exacta; Vulcano dejó de ser objeto de interés ¿Alguna pregunta? Vayamos a los problemas planteados por Bono Tenemos el rectángulo conformado por las figaras 1, 2, 3 127

¿Qué figura nos daría si al rectángulo le sumamos las figuras 4 y 5?

Los grupos comienzan con la tarea; finalmente, llegan a la respuesta Un paralelogramo Pero declaran que no pueden establecer cuál es la figura resultante El profesor les cita el comentario de Bono Cada nueva información se incorpora a los distintos modelos existentes, de manera análoga a como se procedió con los primeros ejercicios

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Pero llega un momento en que no es posible continuar admitiendo información si es que no se reestructura el modelo en cuestión Es preciso modificar el modelo antiguo, no obstante, su demostrada efectividad, y proceder a una nueva ordenación Ustedes no podían llegar al resultado, debido a que no sabían que había la posibilidad de cambiar la figura a un paralelogramo Muchos problemas que debemos resolver en la vida real, nos obligan no sólo a tomar lo que nos dan sino lo que podemos cambiar Ahora vayamos a la palabra bella

Es la niebla hirviente de un verano asfixiado; los espejos se levantan, los remolinos se desbordan La tempestad urge el rugido inicial del fuego; del fuego que avanza Llamas titilantes devoran en hambre, que al devorar aumentan la amenaza Implacable es el hacha que corta el aire en rebanadas Pústula sobre pústula convierten los siglos en gelatina trémula Pálidos de asombro quedan los universos, por el vértigo con que la ira se vuelve llama, convocando una a una, otra hoguera a otra hoguera Es hora de temblar y hasta el mismo volcán, señor de los magmas, se cobija en su propia lava Cristal de barro, cristal de barro es hora de trepidar El terremoto en el centro de la Tierra se refugia en su propia fuerza Cristal de barro, cristal de barro

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Crujen las vértebras de los milenios, ruge el rugido que brota del granizo borboteando fuego

¿Alguien podría interpretar el significado de esas líneas? -puede ser un anuncio del fin del mundo -estoy de acuerdo, pues anuncia la amenaza que se cierne sobre la humanidad por los grandes agravios que hace al planeta Lo dije y lo repito: ustedes son un ejemplo de estudiantes

12 OTROS HALLAZGOS La Materia Oscura A principios del siglo XX los físicos teóricos sugirieron que hay mucha más materia en el universo de la que se puede detectar En 1932, el holandés Jan Ort nota que las estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se mueven más rápido de lo que deberían Luego de las estimaciones respectivas, dedujeron que la masa "real" de nuestra galaxia sería el doble de la que vemos Pocos años después, se obtienen resultados similares estudiando la rotación de una galaxia vecina, Messier 31, la gran espiral de Andrómeda Casi al mismo tiempo, Franz Zwicky mide las velocidades y los brillos de galaxias y encuentra velocidades demasiado altas Fue entonces que postuló la existencia de grandes cantidades de "masa faltante", que superaría a la materia visible en una proporción de 50 a 1 130

A partir de los ’70 el fenómeno se reitera En general, al medir la masa de galaxias o grupos de galaxias, utilizando la ley de gravitación, se obtienen valores muy superiores a los “normales” Esto ocurre para toda clase de galaxias La teoría más adecuada para explicar el fenómeno es la existencia de “materia oscura” la que no puede observarse por ningún medio La “Materia Oscura” puede ser hasta 200 veces mayor que la visible" Un grupo de científicos del Observatorio Astronómico de La Plata, liderados por el Dr. Juan C. Forte, observaron algo también extraño La luminosidad de una galaxia muy conocida, es en realidad entre dos y tres veces mayor que lo aceptado hasta entonces Para explicar el fenómeno, algunas teorías plantean que a grandes distancias la gravedad no se comporta tal como conocemos Se sabe que en nuestra galaxia existen nubes de polvo interestelar que bloquean la luz de las estrellas, formando regiones oscuras Pero esto no es "materia oscura"; el polvo se detecta, precisamente, por el modo en que afecta a la luz de las estrellas Tampoco sería correcto referirse al fenómeno como "materia invisible"; por ejemplo, el gas estelar, que en su mayoría es hidrógeno neutro Ese gas, invisible a los telescopios ópticos, emite ondas de radio detectables con radiotelescopios Actualmente se dispone de instrumentos capaces de detectar materia que emita desde ondas de radio hasta rayos gamma La Materia oscura no puede ser observarla con luz visible y con ninguno de los tipos de radiación electromagnética 131

Hay dos percepciones sobre lo que es la materia oscura o faltante La primera postula que está constituida por materia común y corriente, pero en formas aún no detectables La segunda: propone tomarla como algún tipo de materia no convencional, por lo que no emite ni absorbe luz, ni alguna otra radiación detectable Cuando se intenta evaluar globalmente el Universo, las teorías cosmológicas más aceptadas no encajan con la densidad de materia observada Los físicos admiten que sólo el 1% de la masa del Universo es visible La gran mayoría del universo no es visible y se ignora la organización interna de sus partículas elementales Los físicos habían declarado que los movimientos de las estrellas eran muy pequeños como para participar de una expansión generalizada Por otro lado, el universo era considerado como una gran galaxia que contenía todas las estrellas y nebulosas existentes Einstein percibe un universo que contiene una cantidad finita de materia y es estático; para ese propósito postuló la Constante Cosmológica Dijo que era necesario para hacer posible una distribución de materia cuasi estática, tal como requieren las pequeñas velocidades de las estrellas Esta constante contrarresta la atracción gravitatoria que ejercen materia y radiación, como una fuerza gravitatoria repulsiva Alexander Fridman, en 1922, fue el que resolvió las ecuaciones cosmológicas de Einstein obteniendo un posible universo en expansión Einstein criticó el trabajo de Fridman, y aunque pronto reconoció que el equivocado era él, no pensó que fueran útiles para explicar el Universo

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En 1927, el clérigo-físico, Georges Lemaître llegó a conclusiones similares a las de Alexander Fridman Pero se tendría que esperar los resultados del estudio de las velocidades y recesiones de las galaxias de Edwin Hubble En el año 1929 demostró que el Universo está en expansión Einstein abandonó la constante cosmológica, y se refirió a ella como "la mayor pifia de su vida" La Teoría del Big Bang se basó en la expansión cósmica de Hubble La expansión de universo se frena por la atracción gravitatoria de toda la materia en el Universo. Si la densidad supera un cierto valor crítico, la expansión se frenará y el Universo colapsará Pero, si la densidad es igual o menor a ese valor, la expansión durará por siempre; el valor crítico en cuestión es extraordinariamente pequeño Esa densidad sería de 6 átomos de hidrógeno por metro cúbico Estudios actuales establecen que la constante implica una fuerza repulsiva, de origen desconocido, capaz de acelerar la expansión del Universo Las mediciones de supernovas lejanas parecen confirmar la aceleración Para reafirmar la posibilidad de una expansión del universo, recordemos la relación entre energía y masa establecida por la teoría de la relatividad Esta fuerza, ya sea que provenga de la constante cosmológica o de otro origen, jugaría un papel similar al de la materia oscura Los físicos la denominaron "energía oscura"

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La Energía Oscura La NASA estaba enfrascada en la tarea de calcular la edad del universo y trazar la curvatura del espacio; de pronto se encontró con algo extraño Estimó que apenas el 4,6 % del universo está compuesto por átomos, mientras que un 23,3% es materia oscura y el otro 72.1% es energía oscura Así, el universo que se expande todo el tiempo, podría tener la energía suficiente como para detener su expansión y volver a colapsar Por otra parte, podría tener una densidad de energía tan reducida, que le permitiría expandirse por siempre Pero la gravedad tendría que retardar el proceso la expansión Eso haría reducir la velocidad de expansión el universo Pero nada confirma que la haya reducido Toda la materia que se encuentra en el universo es atrapada y mantenida en conjunto por la gravedad, que la atrae y la mantiene unida Pero en 1998, el Telescopio Espacial Hubble encontró un nuevo misterio espacial: las supernovas se expandían con mucha más lentitud que hoy Esto es, en lugar de que la expansión se frenara, a consecuencia de la gravedad, el universo se ha estado expandiendo con mayor velocidad Nadie supo cómo explicarlo: los científicos anunciaron que la aceleración cósmica se debía a la existencia de una “energía oscura” El total de esa energía ocuparía casi el 75% del universo, pero no se sabe, al igual que la materia oscura, cuál es la organización de sus partículas De acuerdo con los efectos que provoca en el universo se sabe que afecta directamente a la expansión del universo, haciéndola más veloz Una de las principales teorías postula que, tal como lo vimos, el vacío no es vacío; al contrario, está lleno de fuerzas electromagnéticas 134

A ser este espacio una propiedad misma del universo, la energía oscura no desaparece a medida que el universo se expande Mientras más espacio-tiempo se genera, más de esta peculiar energía aparece y el universo comienza a expandirse cada vez más rápido La Paradoja de Olbers La paradoja de Olbers muestra una contradicción aparente: el cielo nocturno es negro, siendo el Universo infinito y pleno de estrellas Cada vez que miramos al cielo nocturno debería terminar en una estrella; por tanto, el cielo debería ser completamente brillante Pero, como la naturaleza hace lo que quiere, hace también que durante la noche veamos que el cielo que hay entre las estrellas es negro En la década de 1820 Wilhelm Olbers se ocupó del asunto que se pronunció sobre la aparente paradoja; pero ya había antecedentes A principios del siglo XVII, Johannes Kepler utilizó la paradoja para respaldar la idea de que el Universo es infinito En 1715, el Edmund Halley propuso que el cielo no brilla uniformemente en la noche, porque las estrellas no están distribuidas de manera uniforme Lo anunció así, aun partiendo de la teoría de que el Universo es infinito Jean-Philippe Loys de Chéseaux también tomo en serio la paradoja, la estudió debidamente, basándose en el trabajo de Halley Chéseaux analizó la paradoja en 1743 Propuso dos opciones: el universo no era infinito o bien la intensidad de la luz disminuía rápidamente con la distancia En la propuesta dejó entrever que podría haber material absorbente, todavía desconocido, presente en el espacio. 135

En 1823 Olbers postuló que el cielo era oscuro de noche porque algo en el espacio bloqueaba gran parte de la luz estelar que debía llegar a la Tierra Los científicos actuales decidieron rechazar la propuesta de Olbers porque la materia, bloqueadora de la luz, se calentaría Con el tiempo irradiaría tanto brillo como las estrellas El estudio de la paradoja quedó olvidado por más de 100 años En 1948, Hermann Bondi declaró que la expansión del Universo provocaba que la luz percibida desde la lejanía fuera rojiza Por lo tanto, portaba menor energía en cada fotón o partícula de luz Esta solución es igualmente válida para la teoría del Big Bang. Durante los ‘60 Edward Harrison solucionó la paradoja de Olbers Harrison mostró que el cielo es oscuro de noche porque nosotros no vemos las estrellas que están infinitamente lejos Sobre la base de la teoría conocida de que la luz tarda cierto tiempo en alcanzar la Tierra, mirar lejos en el espacio es como mirar en el pasado Quedó establecido que no podíamos ver la luz de las estrellas lejanas, porque todavía no ha alcanzado la Tierra También se determinó que, a pesar de edad del universo, las estrellas no han emitido energía suficiente para hacer que el cielo nocturno brille Sabemos que todas las partículas de intercambio son bosones, mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones La Teoría del Big Bang La Teoría dice que el Big Bang es el momento en el que de la nada surge el universo, con su materia y su energía El origen del Big-Bang habría sido un punto de densidad infinita que "explota" expandiéndose a medida que crea el Tiempo-Espacio 136

Los físicos teóricos han reeditado lo sucedido desde una centésima de segundo después del gran estallido La materia estaba constituid por partículas elementales, tales como electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones Y todas las partículas conocidas hoy y por conocer mañana Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang Los elementos más pesados se habrían producido después, dentro de las estrellas, siguiendo la siguiente cronología virtual Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos -270 °C Los vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, confirmando la teoría del Big Bang Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado Es decir: si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer Fue, precisamente, en esta búsqueda que surgió la teoría de la Materia y de la Energía oscuras Una teoría más reciente, la teoría inflacionaria, brinda algunas respuestas a las varias preguntas que plantea el el Big Bang Algunas respuestas llegaron a la conclusión de que podría haber infinitos universos, producidos por otros tantos Big Bangs 137

Teorías Alternativas Esta teoría encuentra el siguiente problema con el Big Bang: El estado de la materia en la época de la explosión era tan diferente, que su estudio no permitiría aplicar las leyes físicas normales Otro de los aspectos que convocó la atención de los físicos fue el grado de uniformidad observado en el Universo Si el Big Bang fuera cierto, el Universo se habría expandido con demasiada rapidez para desarrollar esta uniformidad De acuerdo con el Big Bang, la expansión del universo sería cada vez más lenta, algo que la teoría inflacionaria desmiente Según la teoría inflacionaria, la velocidad de expansión se acelera y la distancia entre cuerpos estelares se hace mayor progresivamente La velocidad del distanciamiento superaría a la velocidad de la luz; pero lo haría sin salir de la norma de la teoría de la relatividad De esta manera, la uniformidad del universo visible se debería a la velocidad con que se expande Al inicio, los objetos estelares que lo constituían estaban tan cerca unos de otros, que tenían una densidad y temperatura similares La Teoría Inflacionaria Andrei Linde introdujo, en 1982, la hipótesis del universo inflacionario Basó su hipótesis sobre el hecho de que la inflación es algo que surge de forma natural en muchas teorías de partículas elementales No toma en cuenta ningún efecto gravitatorio, ni de transiciones de fase, ni de un super enfriamiento ni de un super calentamiento inicial La teoría sostiene que el universo debe ser plano, porque la densidad de materia guarda relación directa con su velocidad de expansión 138

Otra de las propuestas de la teoría inflacionaria se relaciona con las perturbaciones de densidad producidas durante el proceso de inflación Se trata de perturbaciones de la distribución de materia en el universo, las que podrían venir acompañadas de ondas gravitacionales Surgió entonces una nueva percepción; en 1981, Alan H. Guth planteó la posibilidad de que un universo caliente en estado intermedio Así, el universo podría expandirse de forma exponencial Todo esto habría ocurrido cuando el universo se encontraba en estado inestable de súper enfriamiento, común a las transiciones de fase Por ejemplo, en condiciones adecuadas el agua se mantiene líquida por debajo de cero grados, aunque el agua súper enfriada termina congelada. Con esto terminamos la clase de hoy y llega la hora de ir con Bono otra vez ¿Qué figura se puede formar con la combinación de las siguientes?

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Las comisiones de alumnos se reúnen y empieza la búsqueda; finalmente, llegan a la siguiente solución

Creemos que el cuadrado de la izquierda es supefluo y lo eliminamos Me llena de satisfacción que tomen la iniciativa y que los diferentes equipos no se pusieron a competir, sino a complementarse mutuamente Vi que intercambiaban ideas para comprobar si lo que hacía cada equipo llevaba a un resultado satisfactorio De esta manera, el trabajo fue el resultado de una interacción admirable, no sólo entre alumnos, sino, lo más importante, entre equipos Ahora la palabra bella Los relámpagos que tatúan el celeste hecho-negro se cobijan en la feroz ternura que les ofrece el acero El vértigo se arremolina en el fondo del abismo sobre la espuma roja donde la muerte danza El hombre hecho Hombre, incólume cruza, impertérrito, el impenetrable abismo

¡Miradlo! hecho de luz, de carbón y de fuego 140

va, sereno y seguro en busca de su destino ¡Miradlo! ¡Miradlo cómo avanza! bamboleando, bamboleando sobre la punta acerina de una daga ¿Alguna opinión? Sí; el humano es visto como el Ser, el que lucha día a día en la búsqueda de su destino en contra de la incertidumbre que el futuro le guarda

13 LA FUSIÓN NUCLEAR Es la fuente que podría abastecernos de suficiente energía, la que además sería completamente limpia El proceso de fusión nuclear consiste en unir dos átomos (fusionar) para obtener un átomo de mayor tamaño, con mayor masa, liberando energía Con lo que hemos aprendido en este curso, entendemos lo que implica el proceso y el concepto de lo que es la fusión nuclear El principal obstáculo que se opone al proceso es que la aproximación necesaria para que dos átomos se fusionen exige condiciones extremas Tomemos como ejemplo el sol y las elevadísimas temperaturas y presiones que tiene en su interior, las que son capaces ofrecer esas condiciones La temperatura y presión solar permite la unión de átomos de hidrógeno para producir átomos de helio, que son más pesados

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La energía liberada en el proceso es tan grande, que permite la continuidad de la fusión sin que el sol colapse bajo su inmenso peso Para intentar algo parecido en nuestro planeta, hay que enfrentar y vencer enormes fuerzas de repulsión Recordemos que el núcleo del átomo está constituido por positrones y neutrones, sujetos a una gran fuerza de atracción Pero antes, debemos definir los siguientes términos Isótopos Son los átomos de un mismo elemento Número atómico Es el número de protones que hay en el núcleo de un átomo Número másico Es la suma de los positrones y neutrones existentes en el núcleo del átomo Agua pesada Es una forma de agua que contiene una cantidad anormalmente grande de deuterio, el que, ya vimos, es un isótopo del hidrogeno En estos casos algunos de los átomos de hidrógeno en agua pesada contienen un neutrón, lo que provoca que cada átomo aumente de peso Se estima que el hidrógeno deviene aproximadamente dos veces más pesado que un átomo de hidrógeno normal Los núcleos tienen la misma cantidad de protones, pero una cantidad diferente de neutrones, por eso difieren en el número másico De esta manera, los átomos que son isótopos entre sí tienen igual número atómico pero diferente número másico El método de unir los núcleos de dos átomos implica aproximar dos cargas positivas hasta que la interacción nuclear fuerte quede reducida 142

Con la aclaración de que el deuterio es uno de los dos isótopos estables del hidrógeno, los físicos dicen que el proceso sería el siguiente Tomar una cierta cantidad de deuterio, elemento que existe en el agua del mar en cantidades más que necesarias Luego, fusionarlo para obtener helio liberando un montón de energía La dificultad está lograr ese montón extra de energía sea mayor que la cantidad de energía que tendría que utilizase para generarla En términos económicos, significa que la energía invertida sea rentable La Fusión Fría La fusión fría es un intento de lograr esas condiciones de modo rentable, en el sentido de que la energía producida sea mayor a la utilizada Dos profesores de la universidad de Utah, Martin Fleischmann y Stanley Pons, anunciaron, en 1989, que lo habían logrado La idea sobre cómo conseguir fusionar dos átomos de hidrógeno surgió de anteriores investigaciones de Martin Fleischmann Había hallado que el paladio absorbía gran cantidad de átomos de hidrógeno; de allí dedujo que esos átomos estarían muy compactados Es decir, los átomos absorbidos por el paladio estarían tan cercanos unos a otros que existía la posibilidad de que se fusionaran Desarrolló un dispositivo que constaba de dos electrodos, uno de paladio y otro de platino, sumergidos en agua pesada Descargó una corriente eléctrica y vio que el agua se disociaba produciendo gas deuterio, el que se iba absorbiendo en el paladio y oxígeno Faltaba saber si se producía la fusión; para comprobarlo Pons y Fleischmann decidieron averiguar si la solución se calentaba. 143

El experimento mostró que se estaba produciendo cien veces más calor del esperado, o sea que se estaba produciendo el proceso de fusión Publicaron su descubrimiento e incluso dieron una rueda de prensa para dar a conocer su revolucionario proceso Afirmaron que podían reproducir el proceso de fusión que se producía en las estrellas, sin necesidad de alcanzar esas temperaturas tan elevadas Fleischmann afirmó que el dispositivo que habían desarrollado, capaz de realizar la fusión fría, se valuaba en más de 300 trillones de dólares Pero se habían adelantado en su conferencia de prensa, pues quedó demostrado que no habían hecho suficientes pruebas Cuando el resto de científicos tuvieron acceso a los artículos escritos y empezaban a analizarlos, no obtenían el mismo resultado Por ejemplo, si se produce el proceso de fusión nuclear, se debe liberar gran cantidad de neutrones, fenómeno que no se habían detectado Analizando la publicación de Fleischmann, se dice que encontraron errores muy graves, lo que les restó toda la credibilidad Por ejemplo, no habían agitado el agua pesada; si no la agitaban, el calor no se repartía de manera homogénea por toda la solución No era probable que algunas zonas estuvieran sobrecalentadas y otras a menor temperatura; además seguían vivos Es decir, si realmente hubiesen realizado la fusión la gran cantidad de radiación gamma liberada posiblemente habría acabado con sus vidas. La Comunidad científica dijo que el proceso de Fleischmann y Pons era un ejemplo de mala praxis científica; una muestra de lo que no hay que hacer Nuevamente quedó en evidencia que no someter el experimento a suficientes pruebas y publicarlo en ese estado lleva a conclusiones erróneas 144

Se tuvo que replantear el concepto mismo de lo que es la Fusión nuclear La fusión nuclear surge de la unión de dos núcleos de átomos ligeros Los átomos que, por lo general, son el hidrógeno y sus isótopos, deuterio y tritio forman un núcleo más pesado Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas En el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón Esta reacción de fusión nuclear libera una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y de energía cinética de las partículas emitidas Esta cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma Plasma El Plasma es el cuarto estado de la materia, que se agrega al sólido, gaseoso y líquido; es un estado fluido más similar al estado gaseoso Sólo una determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio electromagnético Por lo que se los considera buenos conductores y sus partículas responden fuertemente a las interacciones electromágneticas de largo alcance El plasma presenta características propias que no se dan en ningún otro estado de la materia, por lo que es considerado otro estado de la materia Como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido Pero en el plasma existen efectos colectivos importantes Por ejemplo, bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos y rayos Los átomos de este estado se mueven libremente Cuánto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos En el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se produce un desprendimiento de electrones. 145

Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía; si los núcleos a fusionarse tienen menor masa que el hierro, se liberará energía Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro, la reacción nuclear absorbe energía Fusión nuclear en la naturaleza Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear La luz y el calor que percibimos del sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí Al hacerlo, se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio, liberando una enorme cantidad de energía La energía liberada llega a la Tierra como radiación electromagnética Las fuerzas de gravedad en el universo generan las condiciones perfectas para la fusión nuclear. A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan En el interior del sol la temperatura es cercana a los 15 millones de grados Requisitos técnicos para la fusión nuclear Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, los expertos dicen que se deben cumplir los siguientes requisitos: Conseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo

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La densidad del plasma debe ser suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear Confinamiento para la fusión nuclear Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI) Consiste en crear un medio tan denso, que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocando su implosión Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear. Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM) Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético Reacciones de fusión nuclear Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria que aproximen los núcleos Es decir, los que se van a fusionar, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas En 1968, Basov, informó que se había alcanzado las temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear Lo había conseguido con el empleo láseres En la década de los 70 comenzó a divulgarse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial) 147

En EEUU, consiguieron el experimento más avanzado, alcanzándose cerca de 3 millones de neutrones Pero el láser no es el único dispositivo capaz de producir implosiones También se observa que electrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la fusión nuclear por confinamiento inercial El proyecto de fusión nuclear por confinamiento magnético: el ITER El proyecto más avanzado en Fusión nuclear por Confinamiento Magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Es un prototipo basado en el concepto Tokamak, y en el que se espera alcanzar la ignición Hay proyectos conjuntos en los que participan la Unión Europea, Canadá, EEUU, Japón y Rusia. El objetivo es determinar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear por confinamiento magnético Este tipo de confinamiento magnético es necesario para la generación de energía eléctrica ITER es un proyecto tecnológico cuya construcción se estima necesitará 10 años y al menos 20 de investigación En ella se probarán las soluciones a los problemas que necesitan ser resueltos para hacer viables los futuros reactores de fusión nuclear Este proyecto de investigación dará sus resultados a partir de 2050 Otras tecnologías se aplican a la robótica, superconductividad, microondas, aceleradores y los sistemas de control La Fusión Nuclear en la actualidad Pero la posibilidad de conseguir la fusión nuclear no se ha abandonado 148

Está en proceso de construcción una central de fusión nuclear en el sur de Francia que permitirá obtener energía limpia Pero no habrá nada nuevo, por lo menos hasta el año 2020, fecha en la que se espera que esté en funcionamiento El proceso desarrollado consiste en calentar a grandes temperaturas una mezcla de dos isótopos de hidrógeno: el deuterio y el tritio La temperatura para lograr el estado de plasma tendría que llegar a 150.000.000 º En ese estado las partículas están ionizadas, es decir, con carga, y se aprovecha este estado para confinarlas usando un campo magnético Una de las principales dificultades a la hora de producir la fusión siempre ha sido esa: cómo poder confinar el plasma a temperaturas tan altas. ¿Alguna duda? No señor; entendimos muy bien; ahora nos gustaría tratar de resolver otro acertijo del pensamiento lateral -aquí va ¿Qué es aquello que no se mueve, pero penetra tu cuerpo; no llega a tu alma porque es gran amigo del hielo? Los alumnos van proponiendo soluciones y, simultáneamente, ellos mismos las descartan -el aliento de un dragón -el soplo de un murciélago inmenso -el veneno de una víbora -los rayos cósmicos -una triste noticia, aunque no es necesariamente amiga del hielo -un pensamiento tridimensional -creo que debe ser algo que entra con el aire, necesariamente -siendo amigo del hielo, debe ser algo helado 149

-no lo vemos y es amigo del hielo, por lo tanto, lo único que puede reunir los requerimientos anotados, sería el frío Ésa es la respuesta y la obtuvieron tal como el pensamiento lateral dispone: compartir las ideas y empezar por las más absurdas Recuerden que los físicos consideran absurdas las respuestas que les da la naturaleza cuando le preguntan algo El pensamiento lateral les servirá a ustedes para familiarizarse con el absurdo como punto de partido y de allí arribar a una solución lógica. Profe, la palabra bella y útil La vez anterior hablamos de Cervantes refiriéndonos a la dignidad con que responde los insultos; ahora citaremos un fragmento de Don Quijote: …figurósele que la litera eran andas donde debían de ir algún mal ferido o muerto caballero, cuya venganza a él solo estaba reservada, y sin hacer otro discurso enristró su lanzón, púsose bien en la silla, y con el gentil brío y continente se puso en la mitad del camino por donde los encaminados forzosamente habían de pasar, y cuando los vio cerca, alzó la voz y dijo: Deteneos, caballeros, quien quiera que seáis, y dadme cuenta de quién sois, de dónde venís, a dónde vais, qué es lo que en aquellas andas lleváis, que, según las muestras, o vosotros habéis fecho, o vos han fecho algún desaguisado, y conviene y es menester que yo lo sepa, o bien para castigaros del mal que ficisteis, o bien para vengaros del tuerto que vos ficieron… No olviden de leer, aunque más no sea una hora semanal, la primera y la más grande novela de la literatura: “Don Quijote de la Mancha” Shakespeare y Cervantes son la máxima expresión de la literatura universal, el primero como dramaturgo, el segundo como novelista Por extraña coincidencia, ambos murieron el mismo año, 1616 150

LA FISIÓN NUCLEAR La fisión nuclear es un fenómeno físico que ocurre en el mundo subatómico y consiste en el proceso de partir en dos un núcleo atómico Es exactamente lo contrario de la fusión Se trate de aprovechar la energía que los mantenía unidos antes del impacto, esto es lo que los físicos llaman “energía de enlace” Cuando un neutrón colisiona con el núcleo de uranio 235, su masa y energía es agregada al núcleo, haciéndolo de él un núcleo más pesado De allí deriva el isótopo inestable uranio 236 El isótopo uranio 236, en fracciones de segundo, se parte en dos núcleos estables, liberando la energía que los mantenía unidos A esta energía se agrega la emisión de dos a tres neutrones, los cuales sirven, a su vez, para dividir nuevos núcleos que liberarán energía El circuito continua con la emisión de otros 3 neutrones que golpean más núcleos, y... así en una reacción incontrolada de rápido crecimiento ¿Qué se necesita para que realizar la fisión? Supongamos un electrón que golpea a núcleo muy pequeño, para romperlo habría que acelerarlo a enormes cantidades de energía Pero no existen aceleradores que la consigan Además, en un espacio pequeño es imposible disponer de esa energía necesaria para que el electrón divida el núcleo del átomo

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Podría utilizarse el protón; pero, esta partícula tiene carga positiva y en el núcleo del átomo de uranio hay muchos protones con carga positivas Una vez acelerado sería desacelerado por estas cargas de su misma naturaleza, llevándolo a una velocidad reducida antes de acercarse al núcleo El intento sería inútil, pues habría que gastar más energía para dividir el núcleo en la búsqueda de vencer las fuerzas repulsivas entre protones Existe una partícula con masa un poco mayor que la del protón y siendo que es neutra no tendría problemas al acercarse al núcleo e impactarlo Se trata del neutrón que puede ser acelerado lo suficiente para alcanzar la energía cinética necesaria para golpearlo y dividirlo en dos mitades Cómo lograr una reacción en cadena satisfactoria Al enriquecer el uranio 235 se obtiene uranio 238 en una cantidad de 99.3% no fisionable y apenas el 0.7 por ciento de uranio 235 es fisionable Siempre hay impurezas en el proceso de enriquecer el uranio, aun cuando se hayan utilizado los mejores métodos de enriquecimiento Por ello, el bombardeo con neutrones no llegaría a las zonas del material donde hay uranio fisionable y la reacción no soltaría la energía necesaria Por esta razón, es necesario un valor denominado masa crítica por debajo del cual la probabilidad de una reacción en cadena exitosa sea pequeña A medida que el valor se acerca al valor crítico, aumenta la probabilidad de que se realice una mayor reacción Cuando se supera el valor crítico se asegura la reacción en cadena A medida que aumenta la cantidad de material fisionable se logra la masa crítica o se sobrepasa En este último caso, el material fisionable más conveniente sería el isótopo radioactivo del Plutonio 239 152

Tiene una masa crítica tres veces menor que la del uranio 235 fisionable y es más fácil de obtener La fisión en la actualidad La fisión puede ser utilizada para fines bélicos en la construcción de bombas atómicas; por supuesto se usa para fines pacifistas Su utilidad no bélica surge de los reactores para la producción de energía eléctrica, proceso utilizado actualmente en las centrales nucleares Si un átomo pesado de Uranio o Plutonio se rompe en dos átomos más ligeros, tendremos un desprendimiento de neutrones Pero, la suma de las masas de estos últimos átomos es menor que la masa del átomo original De acuerdo con la teoría de Albert Einstein se desprende una cantidad de energía que responde a la conocida fórmula E = mc2 Para romper un átomo, se emplea un neutrón porque es neutro eléctricamente y, por tanto, al contrario que el protón, no es repelido por el núcleo El neutrón se lanza contra el átomo que se quiere romper, por ejemplo, Uranio-235 y lo convierte en Uranio 236 por un brevísimo tiempo Como este último átomo es sumamente inestable, se divide en dos átomos diferentes y más ligeros, desprendiendo 2 ó 3 neutrones Estos neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y dos átomos más ligeros Así sucesivamente, generándose de esta forma una reacción en cadena En las centrales nucleares el proceso se modera con el objeto de evitar la reacción en cadena y también para generar energía más lentamente De lo contrario el reactor se convertiría en una bomba atómica 153

El proceso básico es el siguiente: El Uranio natural es mayoritariamente U-238, El Uranio fisionable es el U-235 que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, es decir, del uranio U-238 Solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235. El U-235 se introduce en el reactor y comienza un proceso de fisión En el proceso, se desprende energía en forma de calor Este calor, calienta unas tuberías de agua convirtiéndola en vapor, el que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar Éstas hacen girar un generador eléctrico, produciendo así electricidad No toda la energía obtenida en la fisión es aprovechada, parte de ella se pierde en calor, la resistencia de los conductores, la vaporización de agua Para evitar que el reactor explote, los neutrones son controlados mediante unas barras de control (generalmente, de Carburo de Boro) Estas barras de control al ser introducidos, absorben neutrones, y disminuye el número de fisiones Con ese procedimiento se generará más o menos energía Se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor El reactor se refrigera para que no se caliente demasiado incluso cuando está detenido, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente

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Diferencias

La fisión nuclear es la separación de un núcleo pesado en uno más pequeño; la fusión es la combinación de núcleos para crear uno más pesado El resultado en ambos csos es que se absorbe o se libera energía Dentro del núcleo de un átomo se encuentran los protones y los neutrones, alrededor del núcleo giran los electrones La ciencia nuclear es la que se encarga del estudio de los procesos durante la dispersión o combinación de los núcleos (fisión y fusión) Hay muchas variables en el momento de realizar estos procesos Una de ellas es la energía de enlace nuclear, que es la energía requerida para mantener los protones y los neutrones de un núcleo intactos La masa de un núcleo es una pequeña parte de la masa total de los protones y los neutrones Esta diferencia de masa se le atribuye a la energía de enlace nuclear, la cual, al perderse, es liberada en forma de energía Esa energía se calcula con la famosa expresión de Einstein: E=mc2. Más sobre la Fisión nuclear La fisión nuclear en forma simple es la división de un núcleo, liberando neutrones y un núcleo más ligero Al realizar fisión con elementos pesados, el proceso resulta altamente exotérmico (liberación de calor) El cual libera calor, millones de veces más que la quema del carbón. Este proceso da como resultado la liberación de un núcleo más pequeño, nueva energía y partículas, tales como los neutrones

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Estas partículas pueden reaccionar con materiales radioactivos, que van a liberar más núcleos pequeños y partículas y así consecutivamente. Esta reacción en cadena es la base de las armas nucleares, siendo el uranio-235 uno de los elementos más habituales en el uso de este campo Al ser bombardeado con un neutrón, este se convierte en uranio-236, el cual es mucho más inestable Como resultado, el núcleo se divide en Krypton-92 y Bario-141, causando la reacción en cadena al continuar liberando neutrones en cada reacción. Bombas de fisión nuclear Este es el primer tipo de bombas desarrollado, y se basan en la fisión (ruptura) de un átomo, generalmente Uranio enriquecido o Polonio El proceso de fisión conlleva, además, la liberación de energía El proceso de fusión además emite neutrones, partículas sin carga que induce la ruptura de más átomos, llevando a una reacción en cadena El Kilotón El efecto de una bomba de fisión se mide generalmente en kilotones, que hacen referencia al poder destructivo de mil toneladas de TNT La potencia de la bomba que explosionó en el desierto de Nuevo México fue de 20 kilotones de TNT La de Hiroshima, conocida como Little Boy, basada en uranio enriquecido, era equivalente a16 kilotones de TNT La de Nagasaki, Fat Man y basada en polonio, a 21 kilotones ¿En qué se diferencia una bomba termonuclear de una nuclear? La bomba termonuclear combina tres procesos: fisión, fusión, y de nuevo fusión. 156

Bombas termonucleares La primera etapa en una de estas bombas es semejante a la de las bombas de fisión El Polonio se fisiona, liberando gran cantidad de energía y neutrones hasta 100 millones de grados Los neutrones se aprovechan para inducir un proceso de fusión nuclear de átomos de deuterio y tritio, dos isótopos pesados del hidrógeno. La energía liberada en el proceso de fusión nuclear se aprovecha para fisionar átomos de uranio 238, imposible a temperaturas menores 29T

29T

Este último paso dobla el poder de la bomba y es el que mayor cantidad de radiación perjudicial produce. El poder de una bomba termonuclear, o bomba H, se puede regular añadiendo más o menos cantidad de deuterio y tritio a la etapa de fusión Megatones Por eso, prácticamente no tiene límite y su poder se mide en megatones Un megatón, en el Sistema Internacional de Unidades es el equivalente a mil kilotones, es decir a un millón de toneladas de TNT La bomba más potente, la bomba del Zar, fue detonada el 30 de octubre de 1961 a 4 km. de altitud en un archipiélago ruso Estaba situado en el océano ártico y conocido como Nueva Zambia Su potencia era de 50 megatones ¿Qué son las bombas de cobalto o Sucias? Las bombas anteriores producían su efecto dañino a partir del calor liberado, pero la bomba de cobalto tiene aún más poder 157

Se usa además el calor y gran cantidad de radiación gamma para que sus efectos sean todavía peores Estos rayos son capaces de llegar a la médula ósea e inducir mutaciones en el genoma Las bombas anteriores tenían como efecto "colateral" la emisión de radiación perjudicial Pero, las de cobalto buscan principalmente la emisión de este tipo de radiación para producir un efecto todavía más perjudicial. En las bombas sucias se añade un ingrediente mortífero: el cobalto-59 Este elemento es capaz de absorber los neutrones emitidos en una explosión nuclear para convertirse en cobalto-60 Mediante un proceso conocido como "salado" El cobalto caería después de la explosión como una lluvia que iría depositando este elemento radioactivo en el suelo Allí seguiría descomponiéndose y emitiendo radiación durante décadas, haciendo la zona inhabitable. Más sobre Fusión Nuclear Fusionar núcleos con menor masa que la del Hierro libera energía, mientras que fusionar núcleos más pesados provoca una absorción de energía Ocurriendo lo opuesto que en la fisión nuclear. Las estrellas son un claro ejemplo de la liberación de calor provocado por la fusión nuclear También las armas nucleares emplean este principio, como lo es la bomba de hidrógeno 158

En las estrellas ocurre este fenómeno gracias a la alta temperatura y la unión de átomos pequeños para crear átomos más grandes Liberando cantidades enormes de calor y radiación. La fusión es una temática en la que aún se trabaja en búsqueda de estabilidad, siendo un proceso enormemente inestable 29T

29T

Que implica la liberación de enormes cantidades de energía

Aquí termina la clase ¿Vamos a otro desafío que nos presente Bono? -sí; En la clase anterior la solución del problema implicaba la omisión de uno de los objetos geométricos, pues estaba demás Ahora, el problema será a la inversa; podrán añadir objetos a las primeras Observemos las siguientes figuras: ¿Qué pueden hacer con ellas?

Los alumnos forman las coentre otras las siguientes figuras

misiones y una a una presentan,

Veo que han añadido un cuadrado y eso les permitió estructurar nuevas formas sobe la primera; ustedes serán campeones del pensamiento lateral 159

Profe: ¿la palabra bella? Fue vana la acumulación racional de los siglos para encontrar en cada estrella una letra celeste del gran alfabeto Ha sido inútil el acopio reflexivo de los milenios que aún no sedimentan en el espacio, con la autoridad del vino, en el roble viejo Solo es dada a la Intuición conocer en la arena del desierto, el reflejo del cosmos sobre el crótalo mudo de los lagos Se astilló en otros infinitos al romper el gran vacío Nebulosa tras nebulosa se atesoraron, para escribir con trizas de la gran letra La historia del empujón primero, cuando el reflejo de luz, espejo después de espejo dio a cada estrella la astilla de la letra primigenia... No os apresuréis, en adelantado intento leer lo que escriben los cometas en el firmamento Cuando los millones de milenios hayan diseñado el primer día del orbe la eternidad, monja gitana del tiempo habrá bordado, galaxia sobre galaxia, infinito tras de infinito la primera letra del Universo

¿Le encuentran algún sentido?

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Por supuesto profe; se refiere a lo poco que el hombre sabe de los secretos del universo, precisamente lo que estudiamos en este curso Hasta la próxima, queridos alumnos.

15 LA CENTRAL NUCLEAR El principal uso que se le da actualmente a la energía nuclear es el de la generación de Energía eléctrica Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de este proceso Prácticamente todas las centrales nucleares en producción utilizan la fisión nuclear ya que la fusión nuclear actualmente es inviable El funcionamiento de una central nuclear es idéntico al de una central térmica que funcione con carbón, petróleo o gas Excepto en la forma del calor que produce para convertir el agua en vapor En el caso de los reactores nucleares este calor se obtiene mediante las reacciones de fisión nuclear de los átomos del combustible nuclear Mientras que en las otras centrales térmicas se obtiene energía térmica mediante la quema combustibles fósiles A nivel mundial el 90% de los reactores nucleares destinados a la producción de energía eléctrica son reactores de agua ligera En las versiones de agua a presión o de agua en ebullición El principio básico del funcionamiento de una central nuclear se basa en la obtención de energía térmica mediante fisión nuclear 161

Con esta energía calorífica que tenemos en forma de vapor de agua, la convertiremos en energía mecánica, en una turbina La energía mecánica se convierte en energía eléctrica Esto se logra con el uso de un generador El reactor nuclear es el encargado de provocar y controlar estas fisiones atómicas que generarán una gran cantidad de calor Ese calor calienta el agua para convertirla en vapor El agua transformada en vapor de alta temperatura, sale del recipiente hasta llegar a la turbina y hacerla girar En este momento parte de la energía calorífica del vapor se transforma en energía cinética Esta turbina está conectada a un generador eléctrico mediante el cual se transformará la energía cinética en energía eléctrica Por otra parte, el vapor de agua que sale de la turbina, aunque ha perdido energía calorífica, sigue estando en estado gaseoso Es muy caliente, por lo que hay refrigerar antes iniciar otro circuito Al salir de la turbina se dirige a un depósito de condensación donde estará en contacto térmico con unas tuberías de agua fría El vapor de agua se vuelve líquido, y mediante una bomba, se redirige nuevamente al reactor nuclear para volver a repetir el ciclo Ésa es la razón por la que las centrales nucleares siempre están instaladas cerca de una fuente abundante de agua fría Se aprovecha el agua en el depósito de condensación La columna de humo blanco, saliendo de determinadas centrales, es el vapor de agua que se provoca en el proceso 162

Reactor nuclear Es una instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares, generalmente de fisión nuclear en cadena El reactor nuclear está formado por el combustible nuclear, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales Si se trata de un reactor nuclear térmico, exigirá un moderador Los reactores nucleares se pueden clasificar como reactores térmicos y reactores rápidos. Los reactores térmicos Frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables A menor velocidad del neutrón, mayor probabilidad de fisionar con otros núcleos del combustible en los reactores que usan uranio 235 El moderador puede ser agua ligera, agua pesada o grafito Los Reactores Rápidos Son los que no necesitan moderar la velocidad de los electrones Para construir un reactor nuclear es necesario disponer de combustible nuclear suficiente, al que se denomina masa crítica Tener la masa crítica significa disponer de suficiente material fisible en las condiciones adecuadas para mantener una reacción en cadena La disposición de absorbentes de neutrones y de las barras de control permite controlar la reacción en cadena La reacción nuclear se produce y mantiene en el núcleo del reactor Allí se produce una reacción nuclear en cadena con el objetivo de calentar el agua que se utilizará para accionar las turbinas de la central 163

Voltaje mide la fuerza con la que los electrones pasan por un cable conductor; el Amperaje es la cantidad de electrones que pasan por ese cable El Voltio recibe su nombre en honor a Alessandro Volta quien en 1800 inventó la pila que se pone en las linternas Un Vatio (Watt en inglés) es el producto de un Voltio por un Amperio El watt deriva del apellido del escocés James Watt (1736-1819) por sus grandes hallazgos en el desarrollo de la máquina de vapor El Primer Reactor Nuclear El primer reactor nuclear de la historia de la energía nuclear fue diseñado y puesto en marcha por el premio Nobel de Física Enrico Fermi Hizo su experimento bajo las gradas del campo de rugby de la Universidad de Chicago el 2 de diciembre de 1942 Era de sólo medio Watt de potencia, pero sirvió para demostrar que un reactor nuclear era técnicamente posible Fue usado como instalación piloto de los reactores diseñados para fabricar plutonio para la bomba atómica del Proyecto Manhattan Componentes del núcleo del reactor nuclear Un reactor nuclear está formado por los siguientes componentes: El combustible nuclear Es un material con capacidad de fisionarse lo suficiente como para llegar a la masa crítica, es decir, para mantener una reacción nuclear en cadena Se coloca de manera que se pueda extraer rápidamente la energía térmica que produce la reacción nuclear en cadena En las centrales nucleares se utiliza combustible nuclear sólido Los combustibles nucleares varían dependiendo del tipo de reactor pero generalmente se utilizan derivados del uranio 164

Barras de combustible nuclear Son el lugar físico donde se confina el combustible nuclear Algunas barras de combustible contienen Uranio mezclado con Aluminio en forma de láminas planas Están separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado Las láminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte Núcleo del reactor Está constituido por las barras de combustible El núcleo posee una forma geométrica que le es característica, refrigerado por un fluido, generalmente agua. En algunos reactores, el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua, a unos 10 a 12 metros de profundidad También en el interior de una vasija de presión construida en acero Barras de control Los conjuntos de barras de control proporcionan un medio rápido para controlar la reacción nuclear en cadena Permiten realizar cambios rápidos de potencia del reactor, inclusive detenerlo, en caso de emergencia Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones La reactividad del núcleo aumenta o disminuye subiendo o bajando las barras de control Es decir, modificando la presencia de material absorbente de neutrones contenido en ellas en el núcleo Para que un reactor funcione debe tener un exceso de reactividad 165

Esa reactividad disminuye hasta que se anula, momento en el que se hace la recarga del combustible Moderador Los neutrones resultantes de una reacción de fisión nuclear tienen una elevada energía cinética a gran velocidad Cuánto más alta sea su velocidad la probabilidad de que fisionen otros átomos disminuye, de modo que conviene reducir la velocidad Así se pueda incentivar nuevas reacciones en cadena Esto se consigue mediante choques elásticos de los neutrones con los núcleos del elemento que hace de moderador Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, el agua pesada y el grafito Refrigerante Para aprovechar la energía térmica que desprenden las reacciones de fisión se utiliza un refrigerante Su función es absorber dicha energía térmica y transportarla El refrigerante debe ser anticorrosivo, con una gran capacidad calorífica y no debe absorber neutrones Los refrigerantes más usuales son gases, como el anhídrido carbónico y el helio; líquidos como el agua ligera y el agua pesada Reflector En una reacción nuclear en cadena, un cierto número de neutrones tiende a escapar de la región donde ésta se produce Esta fuga de neutrones puede minimizarse con la existencia de un medio reflector que les vuelva poner dentro de la región de reacción De esta forma se consigue aumentar la eficiencia del reactor nuclear 166

El medio reflector que rodea al núcleo no debe reducir el número de neutrones; más bien deben reflejar el mayor número posible de neutrones La elección del material depende del tipo de reactor nuclear Si tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador pero si tenemos un Reactor rápido, habrá una diferencia El material del reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original Blindaje Cuando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación Es necesaria una protección para aislar a los trabajadores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión Por ello, se coloca un blindaje biológico alrededor del reactor para interceptar estas emisiones Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo Usos de los reactores nucleares La tecnología de los reactores nucleares comenzó a desarrollarse con fines bélicos, pero a partir de los años ‘50 se diversificó para fines no bélicos Poco a poco esa tecnología fue más solicitada por los problemas de sostenibilidad que presentan los combustibles fósiles de las centrales térmicas El interés por los reactores de fisión nuclear y de fusión nuclear ha ido en aumento como medio para obtener energía eléctrica Los reactores nucleares de fisión se concentran en la producción de calor Esto es, energía térmica que se emplea directamente También para producir vapor a partir de agua 167

El vapor de agua que se genera es utilizado para obtener trabajo mecánico, en una turbina, o para producir agua dulce a partir de agua de mar Se usa para la propulsión de embarcaciones rompehielos, submarinos nucleares portaaviones militares, cohetes u bombas atómicas En los años 90 se empiezan a crear centrales nucleares que usan como combustible nuclear los radiactivos de otras centrales nucleares Estos combustibles son el plutonio y el uranio "empobrecido" resultante del proceso de enriquecimiento de uranio Se los usa para la producción de isótopos radiactivos en medicina Se produce neutrones libres para la investigación Se los usa en la producción de bombas de neutrones; los reactores nucleares de fusión están todos aún en fase de investigación y desarrollo Una de las futuras aplicaciones más importantes que se espera de ellos es la producción de electricidad ¿Vamos a otro esquema de Bono? -sí ¿Qué pueden hacer con esas tres figuras?

Los grupos se reúnen y logran la siguiente figura 168

¡Esto fue espectacular! pues dividieron un cuadrado para conformar el rectángulo de la derecha! Me gustó tanto como el hecho de que los grupos, en vez de competir entre ellos, intercambiaron ideas para cumplir la tare La palabra bella, profe

En el Everest hay un pico escondido a la vista y a la curiosidad de los extraños Pero, cuando algún mortal es llamado, recorrerá el camino que lo lleva hasta el pico, sin necesidad de guías ni despliegues de tecnología Llega a la cima del pico para ver cómo se presenta ante él los 5 túneles, dispuestos como cinco dedos de una palma que los proyecta hacia arriba De acuerdo con los designios de su destino, escoge uno de ellos Los iniciados llaman a este lugar “El Sendero de los Cinco Dedos” Empezado el ingreso, el peregrino siente que desciende cada vez más y, al hacerlo, sabe, sin saber cómo, que está ascendiendo en el descenso Finalmente llega al espacio sin espacio, donde La Voz la recibe sin causar decibeles que hagan vibrar la membrana auditiva del peregrino Convertida ahora en un remolino de sorpresa tras sorpresa, de sensación deslumbrante tras sensación alucinante, tras de sensación absoluta 169

Todos están juntos o separados por universos compartidos La sensación de estar allí, donde las dimensiones se multiplican al infinito y luego se condensan en el punto, es nueva, es alucinante Es perpetradora de impresión para siempre perpetrada Los beduinos desfilaban con sus turbantes brillando en arena de jaspes dorados… los caminantes de Lagash dejan el polvo en la alfombra Los incas llevan diademas en las que el sol se desdoblaba en soles y en lunas… Los años se condensan en segundos y cada segundo tiene la densidad enorme de un millar de años reunidos dentro de otro millar mayor ¿Alguna interpretación? Sí; las contradicciones subir-bajando, sonido sin ondas sonoras y otras más, muestran la sorpresa de los científicos cuando analizan el microcosmo

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LA RADIACIÓN La radiación electromagnética es la que se propaga en forma de ondas electromagnéticas, rayos UV, rayos gamma, rayos X… También hay un tipo de radiación denominada corpuscular, que es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas Las partículas pueden ser alfa, beta o también neutrones, que se mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energía. Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización será una radiación ionizante En caso contrario es una radiación no ionizante El carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su naturaleza corpuscular u ondulatoria Los rayos X, rayos γ, partículas α Son radiaciones ionizantes

Por otro lado, radiaciones como las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes Elementos radiactivos Algunas substancias químicas están formadas por elementos químicos cuyos núcleos atómicos son inestables Como consecuencia de esa inestabilidad, sus átomos emiten partículas subatómicas de forma intermitente y aleatoria En general serán radiactivas las partículas que presentan un exceso de protones o de neutrones 171

Cuando el número de neutrones difiere del número del número de protones, el desequilibrio se corrige liberando el exceso de neutrones Ese procedimiento los convierte en partículas alfa Esas partículas alfa son realmente núcleos de helio, mientras las partículas β pueden ser electrones o positrones Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad:

Radiación alfa; aligera los núcleos atómicos cambiando el número atómico Radiación beta, no cambia la masa del núcleo, puesto que convierte un protón en un neutrón y viceversa La Radiactividad La radiactividad es causada por la emisión de radiación procedente de núcleos inestables Dicha radiación puede producirse en forma de partículas subatómicas, par-tículas alfa y beta o en forma de energía, como rayos gamma El físico francés Henri Becquerel (1852-1908) descubrió la existencia de este tipo de radiaciones en 1896 El estudio de la radiactividad permitió nuevos hallazgos Las aplicaciones beneficiaron a la producción de aparatos usados en la medicina, electrodomésticos, industrias de armas y las centrales nucleares Esos beneficios incluyen una amplia variedad de técnicas médicas utilizadas en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades En 1896, cuando estudiaba la relación entre la fluorescencia y la emisión de rayos X en una sal de uranio, Becquerel comprobó que las radiaciones emitidas eran semejantes a los rayos X 172

Los rayos emitidos se denominaron rayos Becquerel. El fenómeno descubierto por Becquerel fue estudiado por los esposos Pierre y Marie Curie, a quienes se deben las contribuciones más importantes Marie Curie investigó los elementos que emitían rayos Becquerel Midiendo la intensidad de la radiación emitida por todos los elementos encontró que únicamente el torio y el uranio emitían estas radiaciones Actualmente se conocen 40; el fenómeno recibió el nombre de radioactividad, nombre que en la actualidad se usa como sinónimo de radiactividad Las investigaciones le permitieron deducir que el proceso radioactivo provenía de una propiedad atómica Pierre y Marie Curie Los numerosos escritos dedicados a la radioactividad por Pierre y Marie Curie figuran entre las obras más importantes de la física del siglo XX Midiendo la actividad de los diversos sulfuros obtenidos de la pecblenda, los Curie llegaron a la conclusión de la existencia de un nuevo metal

Lo llamaron "polonium" como homenaje a la patria de Marie El Tratado sobre la radiactividad de Marie Curie El descubrimiento de los fenómenos radiactivos daría lugar a una gran revolución en la historia de la ciencia Pues se demostraría la posibilidad de una desintegración espontánea del núcleo atómico y la consiguiente transformación de un elemento en otro Marie y Pierre Curie establecieron el hecho de que la radiactividad era un fenómeno natural al que el hombre había estado expuesto por siempre 173

Aunque también están las radiaciones artificiales Así, podemos diferenciar entre radiación natural y radiación artificial

La Radiación y la Salud Por otro lado, está comprobado que la radiación afecta a los organismos Puede enfermar o curar; ser administrada como cualquier medicina, o tener efectos letales; todo depende de modo de usarla Se sabe que puede dar lugar a transformaciones químicas en la materia En el caso de la materia viva, estas transformaciones interfieren con las funciones vitales de las células que reciben radiación Algunas radiaciones penetran en el cuerpo y producen cuatro tipos de efectos malignos en órganos o en células Los que producen cáncer, las mutaciones genéticas, los efectos en los embriones durante el embarazo y las quemaduras por exposiciones excesivas Las investigaciones se han centrado en descubrir por qué y cómo cada uno de estos casos se presenta en diferentes circunstancias Cáncer El cáncer se produce cuando el entorno genético de una célula es afectada, lo cual da lugar a una reproducción desmedida, a un tumor La radiación es, de hecho, uno de los agentes que pueden producir el cáncer, aunque no el único Marie Curie y su hija Irene, pioneras en la separación de elementos radiactivos, fueron las primeras víctimas de cáncer atribuible a la radiación 174

El segundo grupo de efectos de la radiación comprende las mutaciones genéticas como el caso de la talidomida Es posible que la radiación ambiental que produce mutaciones haya sido factor importante en la evolución de las especies. La Teoría del Todo Es un intento de unificar las 4 fuerzas fundamentales expresadas en una sola ecuación para que responda las preguntas básicas sobre el Universo La Teoría del Todo o Teoría Unificada fue uno de los grandes objetivos, tal vez, el más importante para Einstein Dedicó los últimos 30 años de su vida para alcanzar ese objetivo, pero hasta hoy no existe una manera de hacerlo La teoría del todo debe explicar todas las fuerzas de la Naturaleza y todas las propiedades de la energía y de la materia Debe explicar también la interacción entre las fuerzas fundamentales Ofrecer una visión consolidada sobre el origen del universo Establecer una pauta sólida sobre la existencia o no de otros universos Para cumplir con esas tareas, la Teoría del Todo deberá unificar la relatividad y la mecánica cuántica Einstein creía que una eventual Teoría del Todo sería muy real, pues concibe al universo como algo armónico y ordenado Algo en el que todo está relacionado y tiene un propósito Al final, se quedó solo en la tarea de encontrar esa teoría del todo Unificación de tres fuerzas En el siglo XIX, Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y magnética, dando lugar a una síntesis que se llamó electromagnetismo Luego quedó unificada con las fuerzas fuertes y débiles 175

Eso, por el lado de las partículas elementales Con la relatividad, Einstein unificó espacio y tiempo; después el espaciotiempo con la gravedad, todo ello a comienzos del siglo XX, la relatividad Lo que no se ha podido unificar hasta el momento es el cuerpo completo de la relatividad con el todo de la mecánica cuántica La relatividad es la ley de los astros y las galaxias La cuántica rige en las partículas subatómicas Se logró unificar 3 de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza: electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil Las tres se adaptan tanto a la relatividad como a la cuántica Pero la gravedad aún no tiene una explicación aceptable de sí misma De este modo, aparece incompatible con el “todo” Pero la teoría de cuerdas puede ser la respuesta que Einstein buscaba La teoría de cuerdas podría sintetizar una teoría del todo, dado que una de sus variantes, la teoría M, podría unificar la gravedad Para la teoría M, la gravedad no sería una fuerza sino un tipo de partícula provocada por una especial vibración de las cuerdas Esta partícula elemental sería un bosón llamado gravitón Pero hasta la fecha es sólo una teoría sin demostrar Al presente no ha sido posible alcanzar la teoría del todo; a esto se suma una duda adicional: ¿será posible la existencia de una Teoría del Todo? La Teoría M La Teoría M, lo vimos, es una teoría física propuesta como una Teoría del Todo, que unifica las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza Fue planteada inicialmente por Edward Witte; su propuesta combinaba las cinco teorías de supercuerdas y supergravedad en once dimensiones 176

Tiene su origen en la teoría de las cuerdas, según las cuales todas las partículas son diminutas cuerdas que vibran con cierta frecuencia Según esta propuesta, las partículas son cuerdas vibrando a cierta frecuencia en un espacio-tiempo que requiere al menos diez dimensiones La teoría no tiene una aceptación unánime, dado que no existen pruebas empíricas en su favor La búsqueda de esas pruebas exige un nivel muy alto de energías, no disponibles en la actualidad Por otro lado, plantea problemas matemáticos no resueltos, por lo que sólo se cuenta con hipótesis y tesis aún no probadas Antecedentes Hasta el siglo XIX, se pensaba que el átomo era el “bloque” más pequeño de la materia y el elemento indivisible de la materia En los primeros años del siglo XX se comprobó que incluía componentes más pequeños llamados protones, neutrones y electrones Esos elementos recibieron el nombre de partículas subatómicas En los años del ‘60 se descubrieron otras partículas, también, subatómicas En la década del ‘80, se descubrió que los protones, los neutrones y otras partículas están conformados por pequeñas partículas llamadas quarks Estas partículas están en continuos procesos de interacción, los que son estudiados por la mecánica cuántica Luego, en 1981, tendríamos un nuevo tipo de modelo sobre la conformación de las partículas subatómicas, que sería llamada Teoría de Cuerdas El modelo proponía que todas las formas de organización de la materia estaban conformadas por “cuerdas” 177

La forma de estos “lazos” sería perceptible sólo a escalas de longitud comparables con la constante de Planck La teoría de las cuerdas plantea que el universo existe en varias dimensiones espaciales, y la mayoría serían perceptibles a escalas muy reducidas Altura, ancho y longitud son las dimensiones espaciales a las que se agrega el tiempo para un total de 4 dimensiones; las primeras tres, observables La teoría de cuerdas postula la existencia de once dimensiones, aunque concede que las siete adicionales no pueden ser detectadas Estas cuerdas vibrarían en varias dimensiones y las tres dimensiones espaciales, podrían percibirlas como materia, luz o gravedad La frecuencia y longitud de onda de las vibraciones determinan si se trata de materia o de energía, pero ambas resultarían de esas vibraciones En la actualidad hay cinco teorías de cuerdas basadas en un universo de 11 dimensiones, y todas parecen ser correctas Pero los científicos no están conformes con la existencia de cinco conjuntos de ecuaciones para describir el mismo fenómeno A mediados de los años 90, Edward Witten y otros importantes investigadores consideraron algo complementario Plantearon la posibilidad de que las 5 versiones de la teoría de las cuerdas podrían describir lo mismo, desde diferentes perspectivas Se propuso la unificación en una teoría llamada Teoría M, en que la «M» se interpreta como «membranas». La Teoría M agrupó las teorías de cuerdas; postulo que las cuerdas son realmente «anillos» unidimensionales de una «membrana» bidimensional Esa membrana vibraría en un espacio unidimensional 178

De acuerdo con esa percepción, el universo estaría fundamentalmente compuesto por objetos unidimensionales, similares a una cuerda Estas cuerdas serían tan pequeñas que incluso en la diminuta escala de la constante de Planck, serían diminutas en extremo La teoría de cuerdas presenta algunos obstáculos interesantes, aparte de las 11 dimensiones para que para que las cuerdas puedan vibrar Las cinco teorías difieren unas de otras por la clase de cuerdas a las que perciben y en la forma en que implementan la súpersimetrías Vimos que la súpersimetría está en el mundo de la teoría de súpercuerdas Escepticismo La teoría-M ha sido el objetivo de un escepticismo para varios físicos Un argumento se basa en la ausencia de alguna predicción "clara" verificada en un experimento Otro argumento es que la teoría no conserva algunas propiedades de la Relatividad General y que tiene un sesgo notorio con la física de partículas Quienes avalan la teoría de cuerdas responden que la física de partículas ha sido probada de forma más precisa que la Relatividad General La teoría sigue en la cuerda floja hasta las investigaciones logren nuevos hallazgos para ponerla en una dimensión científica firme Universos Paralelos Matemáticamente, los físicos han llegado a la conclusión que hay muchos universos paralelos en la décimo primera dimensión Algunos serían membranas de tres dimensiones como nuestro Universo Otros universos serían simples capas de energía Hay membranas cilíndricas y también membranas enlazadas; cada una de estas membranas es un posible Universo 179

Los otros universos paralelos, estarían muy cerca de nosotros, pero nunca los percibimos Una teoría alternativa del Big Bang El Universo se habría creado a partir de la colisión de dos membranas Al colisionar podría haberse producido un Big Bang De este modo, el Big Bang sería la consecuencia del encuentro entre dos mundos paralelos El Big Bang ya no sería un punto desconocido que explotó en una la singularidad que desapareció Las membranas Branas no son perfectamente planas, de acuerdo a la teoría, deberían tener ondas Las membranas Branas son universos paralelos que se mueven en la décimo primera dimensión, como si fueran ondas Las ondas habrían causad los grupos de materia después del Big Bang Cuando las Branas chocan la colisión puede explicarse con la teoría M Después comenzaría el trabajo de los científicos y matemáticos Cosmología de la Branas La existencia de Branas antes de la singularidad del Big Bang, implica que el tiempo existió antes del Big Bang Esta teoría todavía no está aceptada, pero la teoría M podría explicar todo en el Universo, podría ser la teoría que le faltaba a Einstein En este caso nuestro Universo sería uno entre un número infinito de membranas; estaríamos en un multiverso, cada uno con sus propias leyes Los Big Bang de ese tipo, probablemente ocurren con gran frecuencia

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Nuestro universo coexistiría con otras membranas o con universos que estrían también en proceso de expansión Por lo tanto, nuestro universo podría ser una burbuja flotando en el seno de otras burbujas ¿Se puede crear un universo en el laboratorio?

Lo dijimos ya, la Teoría de Cuerdas ya no concibe las partículas atómicas como puntos, sino como cuerdas que vibran en más de 4 dimensiones Antes de la teoría de Cuerdas, la física consideraba que una partícula es un punto que se mueve en un espacio tridimensional En cambio, las cuerdas oscilan en el espacio-tiempo y el modo de vibración, puede convertirlas en fotones o en cualquier otra partícula El Taquión La Teoría de Cuerdas introduce el taquión, una partícula no identificada experimentalmente que viajaría a una velocidad mayor que la de la luz 10T

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Fenómeno que no estaría en la teoría de la relatividad de Einstein La posibilidad de que existan universos paralelos, es una de las hipótesis más atractivas de la teoría de Cuerdas 10T

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Teorías Relacionadas con la Teoría de Cuerdas La teoría de Agujeros de Gusano, lo vimos, se refiere a un túnel que conecta dos puntos del espacio-tiempo o dos Universos paralelos 10T

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Nunca se ha comprobado que hubiera un Agujero de Gusano y no está demostrado que existan, aunque son posibles matemáticamente Descubrimiento del primer pulsar La señal de los primeros pulsares, detectada por un radiotelescopio, tenía un intervalo exacto de 1,33730113 segundos En julio de 1967 Jocelyn Bell y Antony Hewish captaron estas señales de radio de corta duración Pensaron que podrían haber establecido contacto con una civilización extraterrestre, dada la precisa regularidad de la emisión. Los llamaron LGM, por Little Green Men Luego se descubrieron 3 nuevos pulsares emitiendo en radio a diferentes frecuencias De este modo dedujeron que estos fenómenos debían ser producto de fenómenos naturales Anthony Hewish recibió en 1974 el Premio Nobel de Física por este descubrimiento y por el desarrollo de su modelo teórico. Jocelyn Bell no recibió condecoración por ser únicamente una estudiante de doctorado, aunque fuera ella quien advirtió la primera señal de radio Al presente se conocen más de 600 pulsares con períodos de rotación diversos, los que van desde el milisegundo a unos pocos segundos Tienen un período promedio de rotación de 0,65 segundos; la precisión de la rotación de estos objetos es de una parte en 100 millones El Experimento EPR Ya lo comentamos, pretendía medir al mismo tiempo velocidad y posición de una partícula sin observarla directamente y no contaminar el resultado

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En los experimentos de laboratorio es frecuente que una partícula se desintegre en dos partículas gemelas, disparadas en direcciones opuestas Las dos nuevas partículas se separan entre sí, pero conservan idénticas propiedades una con relación a la otra Si se mide la velocidad de una, se sabrá la de la otra El observador ya no influye en el resultado, pues la segunda partícula no ha sido observada directamente De este modo se conoce la velocidad exacta de la segunda partícula Si se mide la posición en la segunda partícula, se obtendrá la de la primera sin necesidad de observarla Eso sucede porque ambas están equidistantes del punto inicial en direcciones opuestas; los datos obtenidos serán objetivos y reales Hay una transmisión de información entre ellas que es instantánea, no es que la información haya viajado más rápida que la velocidad de la luz Es algo más extraño, da la impresión de que el espacio físico entre ambas partículas no existiera Este fenómeno se denomina entrelazamiento cuántico o conexión cuántica Dos partículas que, en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas No importa la distancia que haya entre ambas, aunque se hallen en extremos opuestos del universo, la conexión entre ellas es instantánea El modelo estándar, que domina la física actual, sigue planteando muchos interrogantes y algunas contradicciones La teoría de cuerdas parece dar respuestas 183

Sin embargo, la tecnología actual no permite una comprobación empírica, por lo que varios científicos la rechazan El fluir del tiempo La experiencia del tiempo que fluye siempre en una dirección única, de pasado a futuro, es común a todos Hasta principios del siglo XX se creía que el tiempo era absoluto y que transcurría siempre hacia delante Con la teoría de la relatividad, el tiempo, tal como lo vivimos, pasó a ser sólo una ilusión y hasta hoy, no hay una ley que pruebe que el tiempo fluya De la relatividad especial puede deducirse incluso que el tiempo no fluye Schrödinger formuló su ecuación de onda de probabilidad cuántica Una partícula puede tomar distintos caminos a la vez, y lo mismo podría suceder con el tiempo La física no distinguiría y sería igual de correcto que el tiempo fuera hacia el futuro o hacia el pasado Otra solución nos lleva a los primeros instantes del Cosmos La flecha del tiempo es compatible con el Big Bang, como con la cosmología inflacionaria y ofrecería una explicación aceptable Pero esa explicación demanda la certidumbre de que el universo hubiera estado altamente ordenado en sus primeros momentos Conforme el universo se expande y pierde su orden inicial, el tiempo fluiría siempre hacia delante Es la teoría de la baja entropía inicial y parece avalada por las leyes de la termodinámica; parece la respuesta más convincente Pero aún se desconoce muchos fenómenos sobre los primeros instantes del universo para saberlo; al presente la flecha del tiempo sigue sin respuesta 184

Nikola Tesla Esta parte del capítulo pretende ser un homenaje a uno los más notables físicos de la historia, Nikola Tesla También es uno de los científicos más injustamente tratados en su tiempo Nikola Tesla era un sabio como pocos en la historia del pensamiento “¡Nuestras máquinas van a ser movidas por la fuerza desde cualquier lugar del universo, pues en todo universo existe energía” Ese lema de su estandarte científico y el objetivo que no pudo alcanzar debido a que había intereses que se oponían a una energía libre Nikola Tesla nació en Croacia en 1856 Tesla trabajó desde 1884 como asistente de Thomas Edison, a quién le describió cómo podía mejorar el efecto del generador de Edison El estadounidense le dijo que le daría 500 dólares si Tesla lo hacía Luego de varios meses de trabajo Nikola logró el objetivo Edison, no le pagó, al contrario, le dijo: “Tesla, usted no entiende el sentido del humor de los norteamericanos” Tesla tenía todas las de perder ante Edison, pues, científico de cepa se enfrentaba a un hombre de negocios, también de cepa Su más famosa invención fue la base para la transmisión inalámbrica de corriente eléctrica, conocido como la Bobina Transformadora Tesla Su argumentación se podía resumir en los siguientes párrafos En el universo hay energía cinética; no pasará mucho tiempo antes de que el ser humano tenga éxito en sincronizar su maquinaria con los engranajes mismos de la naturaleza Tesla estaba fascinado por la posibilidad de convertir energía del universo en energía libre y gratuita para que llegara a todos por igual 185

Eso se lograría “conectándose a la verdadera fuerza de la naturaleza” Tesla decía que podía transmitir noticias y energía sin usar alambres, pero los banqueros ya habían comprado las minas de cobre El cobre era la principal materia prima para fabricar los cables por los cuales se distribuía la energía; no le permitieron lograr su objetivo Creó una torre de alta tensión para demostrar el transporte de energía gratuito y sin cable; solicitó más dinero para seguir con las investigaciones, Por supuesto que le negaron y el proyecto Wrdenclyffe tuvo que ser abandonado por falta de presupuesto; y su torre destruida En 1934 Tesla declaró al periódico “The Times” y dijo: “Espero vivir el tiempo suficiente hasta ser capaz de colocar un aparato en esta habitación que se ponga en marcha con la energía de los medios que se mueven alrededor” En 1901 Marconi envió la primera señal de radio declarando que había inventado la radio, aunque utilizó 17 patentes de Tesla En 1943, después de la muerte de Tesla, la Corte Suprema corrigió el error, pero los historiadores siguieron en la conspiración del olvido Veamos algunos de sus descubrimientos e inventos La radio El motor de corriente alterna La lámpara de pastilla de carbono (luz de alta frecuencia) El microscopio electrónico Un avión despegue y aterrizaje vertical El radar El submarino eléctrico 186

La Bobina de Tesla El control remoto Los Rayos X Métodos y herramientas para el control climático Transmisión de video e imágenes por métodos inalámbricos Transferencia inalámbrica de energía Sistemas de propulsión de medios electromagnéticos Extracción de energía desde cualquier punto de la Tierra Sin embargo, Leonid y Sergey Plekhanov del Instituto de Tecnología y Física de Moscú, son un par de científicos rusos que han estudiado a profundidad el trabajo de Nikola Tesla y dicen que harán una realidad el proyecto de la torre de energía gratuita y perpetua de Tesla, quien solo alcanzó a construir un prototipo, la Wardenclyffe Tower. Para construir la Torre de Tesla 2.0, los hermanos Plekhanov actualmente están juntando fondos, necesitan 800000 dólares Además, los científicos creen que la necesidad eléctrica mundial podría ser satisfecha con la instalación de un panel solar de 316 km2 El panel sería instalado cerca del Ecuador; la declaración es una interpretación libre de la teoría de Tesla P

Energía gratuita sin cables inalámbrica que viajaría por el planeta a través de estas torres que Nikola diseño Antes de lograr ese objetivo será preciso luchar en contra de los magnates que se opones a una energía libre por sus inversiones. ¿Alguna pregunta? 187

-como de costumbre, hemos entendido todo profe; ahora queremos un nuevo desafío de Bono y, luego, la palabra bella Observen las tres siguientes figuras:

¿Qué podrían hacer con ellas? Luego de varios cambios de ideas entre las comisiones, todos presentan la misma figura

= ¡Insuperable! Ahora, la palabra bella, profe

Un soplo rojo sopla la Carabela; de infinito en infinito se bambolea El espacio ondula en vaivenes sin ritmo Recibe los corpúsculos de denso fuego Explota una brizna, las esquirlas forman un nuevo universo El tiempo torna a nacer sin haber nunca muerto Las esquirlas primeras se van ¡se van tan lejos! 188

Las sombras de luz surcan los vírgenes vacíos, extendiendo el tiempoespacio más allá de la nada La tormentosa cabellera ondea a todos lados sin encontrar frontera en ninguno de ellos; ya se forma el Infinito No porque más allá de algo no haya nada, pero porque más allá de esto hay aquello; El gran impulso ya frena para caer otra vez en el enorme caldero Infinitos soplos rojos soplan las infinitas carabelas, que de infinito en infinito bambolean, bambolean -¡Es la teoría de las branas y de los múltiples Big Bangs -Cada vez los admiro y respeto más Con este capítulo damos por concluido el curso “Física Moderna” Los tres capítulos que siguen son complementarios Nos muestran las fechas y los grandes hallazgos de la Física

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17 PRINCIPALES HALLAZGOS DE LA FÍSICA (I) La información de éste y los dos subsiguientes capítulos provienen de la página de Internet; CONYCIT Los Rayos X (1895) Aunque ahora se atribuye el descubrimiento a Nikola Tesla Wilhelm Röntgen descubre los rayos X y estudia sus propiedades; experimento con un tubo de rayos catódicos Previamente, los había forrado en un grueso papel negro El tubo además emitía unos misteriosos rayos que tenían la propiedad de penetrar los cuerpos opacos logra imprimir la primera radiografía en 1895 Los llamó rayos X. Por este aporte fue galardonado con el primer premio Nobel de Física, en 1901 La Radiactividad En 1898, Henri Becquerel descubre que el uranio emite una penetrante radiación se descubre la radioactividad y se aísla el radio Dos años más tarde, sus colegas Marie y Pierre Curie logran aislar el radio, con sus emisiones positivas (alfa) negativas (beta) y neutras (gama) El Electrón Joseph John Thomson experimenta con rayos catódicos, observados en tubos vacíos bajo alto voltaje

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En 1897 llega a la conclusión de que son “cuerpos negativamente cargados”; son los electrones, las primeras partículas indivisibles encontradas Los Cuantos Max Planck investiga los colores del calor de la materia incandescente En el año 1900 asume que la emisión y absorción de radiación ocurre en cantidades discretas y cuantificadas de energía Max Planck propone el quantum de energía Su hallazgo marcó el inicio de la teoría cuántica de la materia y la luz Ondas de radio En el año 1901, Guglielmo Marconi logra la generación de ondas de radio que son detectadas al otro lado del océano Atlántico Después de unos pocos años, la radio es ampliamente usada por los barcos en el mar y en todos los lugares La dualidad onda-partícula de la luz Albert Einstein declara que la luz, que tiene propiedades de onda, también estaba formada por paquetes de energía cuantificados y discretos En 1905 estos paquetes de energía fueron llamados fotones. Este modelo explica el efecto fotoeléctrico, esto es, la luz "expulsa" electrones de una placa de metal Con el hallazgo de Planck y el aporte de Einstein nace la Física Cuántica La Relatividad Especial (1905) Einstein publica su teoría de la relatividad especial En esa obra propone una nueva definición al tiempo y al espacio Nada puede moverse más rápido que la luz, que el tiempo y el espacio no son absolutos, y que la materia y la energía son equivalentes (E=mc2)

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Clasificación de las estrellas (1908-1913) Ejnar Hertzsprung y Henry Norris Russell correlacionan la energía emitida por una estrella con su temperatura Esto ordena los tipos estelares desde las rojas hasta las enanas blancas, y permite la comprensión de cómo las estrellas nacen y mueren La forma nuclear del átomo Ernest Rutherford (físico neozelandés que trabaja en Inglaterra) propone el modelo nuclear del átomo, en 1911 Lo hace para explicar el "rebote" de las partículas alfa desde una delgada lámina de oro: el mismo año se descubre la superconductividad El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observa que el mercurio pierde su resistencia eléctrica a temperaturas cercanas al cero absoluto La estructura atómica de los cristales La técnica de la cristalografía de rayos X muestra la simetría de los cristales sólidos y revela la disposición de los átomos 1911-1912 Esos experimentos fueron desarrollados por William y Henry Lawrence Bragg, padre e hijo, en Gran Bretaña y Max von Laue en Alemania en 1911 Nuevo modelo atómico Se expone el modelo de átomo de Niels Bohr, físico danés en 1913 En la nueva estructura del átomo, los electrones giran a grandes velocidades en órbitas circulares alrededor del núcleo Lo hacen ocupando la órbita de menor energía posible, esto es, la órbita más cercana al núcleo El electrón puede “subir” o “caer” de nivel de energía, para lo cual necesita "absorber" o “emitir” energía, vg. en la radiación o de fotones La teoría cuántica explica el espectro del hidrógeno 192

Niels Bohr usa la idea del quantum para predecir la longitud de onda de la luz emitida por el hidrógeno incandescente La Relatividad General Albert Einstein extendió su teoría especial para describir la gravedad como una propiedad inherente al espacio-tiempo de cuatro dimensiones Con la teoría de la relatividad general, en 1915, Einstein reemplaza la ley de gravedad de Newton por una ecuación que explica la gravitación El universo expone la curvatura del espacio-tiempo; la teoría comprueba correctamente la desviación gradual de la órbita del planeta Mercurio. Se determina la magnitud de la constante cuántica En 1916, el norteamericano Robert Millikan usa el efecto fotoeléctrico que Einstein explicó en 1905, para medir h, la constante matemática de Planck De esta manera define la energía del quantum El Telescopio gigante Empieza sus operaciones en 1917, luego de haber sido instalado en la cima del Monte Wilson, en California Tiene un espejo de 100 pulgadas y fue el más grande durante 30 años El lugar es elegido por la tranquilidad y claridad de su atmósfera. Se comprueba la teoría de Einstein (1919) Se produce un eclipse solar La Real Sociedad Astronómica envía a un grupo de científicos para observar el fenómeno y confirmar o no la teoría de Einstein sobre la gravedad Durante el eclipse solar se comprueba la deflexión de la luz por el campo gravitacional, tal como predijo la teoría de la relatividad general De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad curva el espacio y desvía los haces de luz 193

La Expansión del Universo (1922) La teoría de la relatividad general pronostica la expansión del universo, aunque Einstein en un principio rechazó el resultado La teoría general predijo que todo el espacio-tiempo se expande, como señaló el matemático y meteorólogo Alexander Friedmann La dualidad onda-partícula de la luz (1923) Las investigaciones de Arthur Holly Compton confirman el estado dual de la luz, pues las ondas electromagnéticas se comportan como partículas Se generaliza la dualidad onda-partícula de la materia (1923) Se propone la dualidad onda-partícula de la materia, no sólo de la luz Louis de Broglie generaliza la dualidad onda-partícula postulando que las partículas de materia también se comportan como ondas. La Naturaleza de las Galaxias (1923) Se descubre la naturaleza de las galaxias Edwin Hubble, usando el telescopio del Monte Wilson, determina que la galaxia Andrómeda está a un millón de años luz Luego afirmó que estaba a dos millones de años luz Esto resuelve un largo debate sobre las distancias cósmicas El principio del primer cohete (1924) Hermann Obert muestra cómo un cohete puede desarrollar suficiente velocidad de salida para vencer la atracción gravitacional de la Tierra Nuevos fundamentos para la mecánica cuántica (1925) Werner Heisenberg aplica las matemáticas de matrices para dar cuenta de los cuantos de luz discretos emitidos y absorbidos por los átomos Su hallazgo provee de una estructura a la nueva física cuántica. La estructura estelar (1925) Comienza el estudio de la estructura estelar 194

El astrofísico Arthur Eddington encuentra una relación entre la masa de una estrella y la energía que irradia La naturaleza de la materia (1926) La ecuación de Erwin Schrödinger describe la naturaleza ondulatoria de la materia por medio de una ecuación matemática La mecánica cuántica se fortalece y consolida La Televisión (1926-1928) Baird transmite la primera imagen de televisión de objetos en movimiento; envía una película con tecnología inalámbrica que cruza el Atlántico Se prueba la dualidad onda-partícula (1927) Clinton Davisson y Lester Germer, del laboratorio de Teléfonos Bell, muestran que los electrones "rebotan" Rebotan desde una hilera de átomos en un cristal de níquel, de manera que las ondas de luz se reflejan y difractan desde una superficie corrugada. El Principio de Incertidumbre (1927) Werner Heisenberg establece su principio cuántico de incertidumbre De acuerdo con el principio, es imposible medir exactamente la posición y velocidad de una partícula al mismo tiempo. Origen de la Teoría del Big Bang (1927) Se postula que el universo comenzó desde un único evento Georges Lemaitre, postula que el universo comenzó su expansión desde un pequeño y caliente “huevo cósmico” Tal el origen de la teoría del Big Bang. Cambio de la longitud de la luz (1928) Se descubre una nueva interacción entre la luz y la materia.

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Chandrasekhara Venkata Raman anuncia que un haz de luz cambia su longitud de onda si es desviado por la materia Se predicen las antipartículas (1928) Combinando la relatividad especial con la mecánica cuántica, Paul Dirac elabora una ecuación para el comportamiento de los electrones Al hacerlo también predice la existencia de nuevas partículas con propiedades similares pero carga opuesta, llamadas antipartículas Se establece la expansión del universo (1929) Edwin Hubble descubre que mientras más lejos está una galaxia de nosotros, más de su luz se desplaza hacia el rojo Eso quiere decir que se separa de nosotros cada vez más rápido; este hallazgo apoya la versión sobre la expansión del universo lanzada en 1922 Se inventa el motor de reacción a chorro (1930) Frank White patenta el primer motor de reacción a chorro, que sería puesto a prueba en un vuelo realizado en 1941. Se inventa el plástico (1930-1935) Hermann Staudinger muestra cómo las moléculas forman cadenas de polímeros, estructura fundamental del plástico Además, sugiere cómo hacer polímeros; Wallace Hume Carohers desarrolla el nylon y la goma sintética Se descubre el neutrón (1932) James Chadwick bombardea berilio con núcleos de helio y encuentra el neutrón, el segundo constituyente del núcleo atómico junto con el protón Esta partícula eléctricamente neutra puede ser usada para bombardear el núcleo y producir efectos de fusión o fisión Se encuentra la primera antipartícula (1932) Carl D. Anderson examina los rastros dejados por un rayo de partículas cósmicas en una cámara de niebla 196

Anderson descubrió la huella de la trayectoria de un electrón positivo, o positrón, cuya existencia había sido adelantada por Paul Dirac en 1928 Los Agujeros Negros (1932) Se postula el mecanismo de creación de agujeros negros Basado en la teoría de la relatividad general, Karl Schwarzschild había postulado en 1916 una nueva propiedad de un cuerpo denso Dijo que puede producir un efecto gravitacional tan fuerte que la luz no podría escapar; esto es, un agujero negro En 1932, Subrahmanyan Chandrasekhar calculó que una estrella de cierta masa colapsa bajo su propia gravedad y deviene en una enana blanca Dijo que para una masa mucho mayor el colapso puede llevar a una estrella de neutrones y finalmente a un agujero negro Se inventa el ciclotrón (1932) Ernest O. Lawrence y M. Stanley Livingston construyen un ingenioso dispositivo para estudiar el núcleo atómico Los sondea con partículas subatómicas energizadas Su ciclotrón acelera esas partículas haciéndolas pasar repetidamente por un ciclo a través de un campo eléctrico Produce partículas con una energía extremadamente alta El diseño inspira generaciones de aceleradores de partículas que examinan el núcleo y las partículas elementales. La Materia oscura (1933) Fritz Zwicky examina la rotación de las galaxias Deduce que ellas deben contener más masa de la que podemos ver y llama a este inexplicable material “materia oscura”. 197

Se producen isótopos radioactivos artificiales (1934) Irène Joliot-Curie (hija de Pierre y Marie Curie) y su marido, Frédéric Joliot-Curie, bombardean aluminio con núcleos de helio Con ellos se intenta producir un isótopo radioactivo artificial: fósforo-30. Los isótopos radioactivos son prontamente utilizados en exámenes biológicos como la toma de yodo desde la glándula tiroides Se inventa la fotocopiadora (1935-1938) Chester Carlson inventa un método para copiar basado en el hecho de que el selenio se vuelve un buen conductor eléctrico cuando se ilumina La primera fotocopiadora comercial, Xerox modelo A, se operaba manualmente y usaba un papel especial La primera fotocopiadora automática fue la Xerox en 1959 El sonido se graba en una cinta magnética (1936) El dispositivo llamado “magnetófono” usa cinta magnética El primero fabricado de polvo magnético aplicado a una tira de papel, para grabar un concierto dirigido por Sir Thomas Beecham Se encuentra un “electrón pesado” (1937) Entre los rayos cósmicos examinados en una cámara de niebla, Carl D. Anderson y Seth Neddermeyer encuentran el muón Es una partícula elemental 200 veces con mayor masa que un electrón Se inventa el radar (1937) El radar empieza a operar Robert Watson-Watt y otros ingenieros británicos desarrollan el radar (acrónimo de “Radio Detection and Ranging” Un método para detectar objetos distantes iluminándolos con ondas de radio y midiendo la señal reflectante 198

Su primera aplicación fue en la defensa aérea. El mecanismo de producción de energía de las estrellas (1938) La física clásica no puede cuantificar la enorme energía que genera una estrella de tamaño promedio como nuestro sol El físico Hans Bethe explica este fenómeno en términos de la teoría de las reacciones nucleares y estimó la alta temperatura dentro de las estrellas Anunció que esas altas temperaturas causan que los núcleos de hidrógeno se fusionen, constituyan helio y liberen una gran energía Se encuentra un nuevo tipo de comportamiento de fluidos (1938) Trabajando a temperaturas cercanas al cero absoluto, Pyotr Kapitsa encuentra que el helio líquido tiene propiedades de súperfluido Fluye casi sin ninguna fricción interna Se observa la fisión nuclear en el uranio (1938-1939) Otto Hahn y Fritz Strassmann detectaron "elementos livianos" en el uranio irradiado con neutrones Lise Meitner y Otto Frish explican este resultado como una fisión nuclear La primera radio de frecuencia modulada (FM) (1939) La estación FM WKCR introduce la radio libre de estática en Nueva York. En 1941 la estación se pone en operaciones regularmente, programada por el Radio Club de la Universidad de Columbia. El primer helicóptero comercial 1939 Vuela el primer helicóptero diseñado para la producción en masa, luego del primer intento de construir un helicóptero en 1910 Igor Sikorsky usa los nuevos conocimientos en aerodinámica para construir y volar exitosamente su helicóptero VVS-300. ¿Alguna pregunta? 199

¿Otra muestra del pensamiento paralelo? Observemos la siguiente figura y deduzcamos que otras podemos formar tomándola como base

El primer grupo presentó su trabajo:

Otro mostró la siguiente

Un tercer grupo exhibió su dibujo

Lo mismo hizo el cuarto

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Y el quinto no se quedó atrás

¡Sobresaliente, estimados alumnos! Profe, ahora la palabra bella

La Selecta se despereza en su pedestal de humo, estira el puño Ha simulado dormir en los siglos; ha cedido el paso Ha hecho huella propia de huella ajena Ha visto que el miedo alcanza donde no la grandeza ni el honor pero más aquí del hambre Que el cariño abarca a do no mella ni honor, ni hambre, ni miedo ni grandeza; ha visto que Ser es más que ser Enterrada en el surco, ha sido semilla de donde todo ha germinado mas, no la semilla misma Ha recibido el pétalo, simulando no haber visto el guante de hierro Se ha sorprendido que el sentir de los sentires no sea táctil La Selecta se despereza y estira el puño Ya no germinante busca el salto al remolino La semilla estará en la probeta y en la duna del desierto Al guante de hierro, soplete de fuego 201

Que no quiera, reiterar el amor por mandamiento, ni condenar a Dios, otra vez, a verdugo de la hoguera La Selecta se despereza en su pedestal de humo La Historia se ha ido; la Historia empieza Una de las alumnas pide la palabra Profe, como mujer siento en lo más recóndito de mí que las líneas que usted nos ha mostrado, recuerdan la discriminación de que somos objeto Al mismo tiempo, anuncia que la nueva historia traerá la igualdad de hombres y mujeres en lo que se refiere a la igualdad de oportunidades Cuánta razón tiene cuando dice: La Historia se ha ido; la Historia empieza En nombre de las mujeres, yo le agradezco esta parte de la palabra bella De inmediato toma la palabra un varón: Profe; las mujeres ya no estarán solas, nosotros estaremos con ellas para luchar, lado a lado, por la igualdad de oportunidades para todos. (El profe reflexiona que tal vez las nuevas generaciones sean los arquitectos de un mundo que ansía ser otro)

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PRINCIPALES HALLAZGOS DE LA FÍSICA MODERNA (II) El primer reactor nuclear (1942) Debajo de las galerías del estadio de la Universidad de Chicago, un equipo encabezado por el Enrico Fermi inició la primera reacción en cadena Fue una reacción de fisión nuclear controlada, en una “pila atómica” que contenía uranio y grafito. Se produce el plutonio (1942) También se aísla el uranio–235; se realizan dos descubrimientos fundamentales den tecnología militar Glenn Seaborg y sus colegas bombardearon uranio en un ciclotrón y produjeron el elemento plutonio fisionable Uno de los nueve elementos nuevos más pesados que el uranio John Dunning y su equipo mostraron que el uranio-235 es una forma fisionable del uranio y desarrollaron un método para aislar este isótopo El plutonio-239 y el uranio-235 fueron la base de la producción de la bomba atómica El precursor de la primera computadora Alan Turing entra a trabajar para el GC&CS como criptoanalista Apenas tiene 26 años. Había estudiado en el King’s College de Cambridge y obtuvo el doctorado en la Universidad de Princeton, donde ha profundizado en criptología.

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Además, publicó textos sobre computación que serán el germen del ordenador moderno El aporte de Turing sirvió para decodificar los mensajes alemanes durante la Segunda Guerra Mundial Se termina el primer gran radiotelescopio (1947) Sobre el trabajo de Karl Jansky, Bernard Lowell y sus colegas construyen un radiotelescopio de 218 pies de diámetro, en Jodrell Bank (Inglaterra) Se inventa el transistor (1947) John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain son los inventores Se trata de un amplificador electrónico compuesto por pequeñas piezas de material semiconductor Este es el precursor del circuito integrado y de los chips de memoria. Se descubre el pión (1947) Con métodos fotográficos, Cecil Frank Powell encuentra evidencia en los rayos cósmicos estudiados del mesón pi o pión La existencia de esa partícula fu pronosticada por Yukawa en 1935 Se formula la teoría moderna de luz (1948) También la electrodinámica cuántica Richard Feynman y Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, desarrollan la electrodinámica cuántica (QED) Es la primera teoría completa de la interacción de fotones y electrones. Se modela el núcleo atómico (1949) María Goeppert Mayer y Hans Jensen, describen que el núcleo atómico está constituido por capas esféricas de neutrones y protones Esto explica la especial estabilidad del núcleo. 204

La memoria de núcleo magnético para computador (1949) Jay Forrester, quien trabajaba para la Armada de Estados Unidos, concibe el uso de pequeños anillos que se pueden magnetizar en el norte o sur Servirían para representar los números binarios 1, 0 Su memoria de centro de ferrito, tridimensional y de alta velocidad, llega a ser un hito en el diseño de computadores. Se publica investigación pionera en física de plasma (1950) En electrodinámica cósmica, Hannes Alfvén resume su trabajo temprano en física del plasma y el estudio de los gases ionizados Revela los fenómenos del campo magnético de la Tierra como la aurora boreal, la ciencia del espacio, y con investigaciones en fusión nuclear El primer computador electrónico (1951) John Mauchly y John Eckert construyeron una computadora con 5 mil tubos al vacío y almacenamiento de datos en cinta magnética En 1952, un computador Univac recopiló la votación presidencial de Estados Unidos, anticipando el triunfo de Dwight Eisenhower. Se analiza el ADN usando rayos X (1952) Rosalind Franklin realiza estudios del ADN utilizando rayos X; estos estudios se usan luego para establecer la estructura del ADN. El precursor del láser (1952-1953) Charles H. Townes y Alexander Mikhailovich Prokhorov y Nikolai Gennadiyevich Basov sugieren una forma de inducir a las moléculas El objetivo es que emitan microondas intensas y coherentes La estructura de doble hélice para el ADN (1953) Maurice Wilkins y Francis Crick y James Watson, descubrieron la estructura de doble hélice de la compleja molécula orgánica Es la que codifica la información genética: el ADN. 205

Se inventa la celda solar (1954) Científicos de los laboratorios Bell desarrollan la celda fotovoltaica, un dispositivo de silicio que usa luz solar para generar una corriente eléctrica Nace la fibra óptica (1954-1956) Abraham van Heel descubre que un revestimiento de película mejora la transmisión de luz por fibras de vidrio Ese hallazgo lo conduce al rápido desarrollo de esta tecnología En 1956, Narinder Kapany acuña el término “fibras ópticas” En 1956-1957 se derriba una ley fundamental de las partículas elementales La ley de conservación de la paridad afirma que las partículas elementales y sus imágenes en un espejo deberían comportarse en forma idéntica Después de que Tsung-Dao Lee y Chen Ning Tang, declararon que algunos procesos subatómicos violan esta ley Un equipo liderado por Chien-Shiung Wu, confirma la predicción. La primera nave espacial orbital (1957) La Unión Soviética lanza el primer satélite artificial, el Sputnik I, de 184 libras de peso, seguido por el Sputnik II, de 1.000 libras. Se explica la superconductividad (1957) John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer resuelve el viejo acertijo de la superconductividad, descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes Demuestran que los electrones en superconductores forman pares cuyas propiedades cuánticas les permiten viajar sin perder energía Superconductividad es la capacidad que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía El circuito integrado (1958) Robert Noyce y Jack Kilby, inventaron el circuito integrado, que incorpora muchos transistores y otros componentes electrónicos en un solo chip 206

Ese chip está hecho del semiconductor Túneles cuánticos (1958-1962) Leo Esaki usa túneles cuánticos que permiten a los electrones con comportamiento de onda, pasar barreras consideradas impenetrables El nuevo dispositivo electrónico se llama “diodo túnel” En 1962, Brian Josephson, estudiante de 22 años de la Universidad de Cambridge, descubre algo que complementa lo anterior Los pares de electrones pueden perforar un túnel entre dos superconductores separados, un efecto que se usa en múltiples aplicaciones Un nuevo efecto cuántico (1959) David Bohm y Yakir Aharonov predijeron que un campo magnético afecta las propiedades cuánticas de un electrón Se construye el primer láser (1960) Theodore Maiman extrae una brillante y altamente concentrada luz de color muy puro de un cilindro de rubí El láser es un producto de la teoría cuántica y pronto se usa en un amplio rango de aplicaciones comerciales. Láser semiconductores (1962) Investigadores descubren que los dispositivos diodos basados en el semiconductor arseniuro de galio convierten la energía eléctrica en luz En la década de 1990, se fabricaron billones de láser semiconductores cada año para usarlos en telecomunicaciones y reproductores de CD. Se descubren los quásares (1963) Marten Schmidt analiza el corrimiento al rojo de la luz emitida por el objeto astronómico 3C 273 y muestra que está extremadamente distante Este es el primer quásar conocido, un objeto que se ve similar a una estrella, pero más brillante que algunas galaxias 207

Los quásares pueden ser asociados con agujeros negros gigantes Se postula la existencia de los quarks (1964) Murray Gell-Mann y George Zweig postulan en forma independiente la existencia de los quarks que son partículas con cargas eléctricas Esto introduce un nuevo orden dentro del mundo subatómico. Ley de Moore (1965) Gordon Moore nota que el número de elementos activos que se pueden instalar en un chip de computador se duplica cada 18 meses La ley de Moore continúa vigente por más de tres décadas La Fibra óptica (1966) Charles Kao y George Hockham demuestran las propiedades del vidrio comoes un medio eficaz de transmisión a larga distancia La pérdida de luz en las fibras de vidrio se podía disminuir enormemente en las transmisiones de energía a larga distancia Unificar las fuerzas fundamentales (1967) Steven Weinberg, Sheldon Glashow y Abdus Salam crean la teoría “electrodébil”, que une las fuerzas electromagnética y nuclear débil La fuerza resultante se llama “electrodébil” En 1983, Carlo Rubbia y su equipo confirman la predicción de esta teoría Lo hacen con el descubrimiento de los bosones pesados W y Z, portadores de la fuerza débil El horno de microondas (1967) La Corporación Raytheon adapta la tecnología del radar WW II para desarrollar el horno de microondas para uso doméstico Los neutrinos solares (1967) La fusión termonuclear que da la potencia al Sol produce neutrinos, partículas elementales que tienen muy poca masa o no la tienen 208

Raymond Davis construye el primer detector de neutrinos solares en las profundidades de una mina de oro en los EEUU Se descubren los púlsares (1967-1968) Se los interpretan como estrellas de neutrones. En Inglaterra, la estudiante graduada Jocelyn Bell y su asesor Anthony Hewish descubren pulsos periódicos de radio de estrellas fijas Thomas Gold propone que esos púlsares son estrellas de neutrones giratorias, los remanentes densos de explosiones de supernovas. El ser humano llega a la Luna (1969) Se da inicio a la exploración humana directa de los cuerpos astronómicos El astronauta Neil Armstrong se convierte en el primer ser humano que camina en la Luna Primera evidencia directa de los quarks (1969) Jerome I. Friedman, Henry Kendall, Richard E. Taylor y otros encuentran la primera evidencia de que los quarks existen sin duda alguna La teoría original había sido propuestao en 1964 Los chips de silicio (1970) La empresa Intel introduce los chips de memoria para computadores Tenían una capacidad, capaces de almacenar 1024 bits de información Aparece la fibra óptica (1970) Se fabrica con éxito el primer lote de fibras ópticas con la transparencia suficiente para realizar una comunicación efectiva Grandes Telescopios (1970) Telescopios de 157 pulgadas en Arizona y en Cerro Tololo (Chile) y una unidad de 88 pulgadas en la cumbre del volcán Mauna Kea (Hawaii) Además, un radiotelescopio de 300 pies de extensión comienza a hacer observaciones cerca de Bonn (Alemania) 209

El Modelo Estándar (1970-1973) Se desarrolla el modelo estándar de partículas elementales El modelo estándar explica tres de las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnética y de interacción fuerte y débil; omite sólo la gravedad Se introduce la resonancia magnética nuclear (MNR) (1971-1980) Sirve para para el diagnóstico médico En 1939, Isidor Isaac Rabi había mostrado cómo estudiar átomos y moléculas mediante sus propiedades magnéticas En 1946, Edward M. Purcell y Felix Bloch, aplicaron en sólidos y líquidos En 1971, investigadores comienzan a adaptar esta técnica, para la producción de imágenes y examinar estructuras internas del cuerpo Teoría de las Súpercuerdas (1971-1980) Se propone una posible teoría del todo o teoría de las Supercuerdas Michael Green John Schwarz extienden la teoría de las a la teoría de las supercuerdas. La teoría de las Supercuerdas considera a las partículas elementales como vibraciones de cuerdas diminutas Para 1997, la teoría de las supercuerdas parece capaz de unir la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad Así, explicar todas las partículas y fuerzas conocidas, inclusive la gravedad, aunque no hay una prueba experimental todavía Primer examen de tomografía computarizada (1972) Con métodos desarrollados por Allan Cormack y Godfrey Hounsfield se combina imágenes de rayos X mediante programas de computación Se intenta así, mostrar el interior del cuerpo humano en tres dimensiones 210

El examen de tomografía computarizada se convierte en una técnica de imágenes no invasivas de gran uso en medicina Se encuentra una nueva forma de superfluido formado de helio En en una muestra de temperatura apenas sobre el cero absoluto, Douglas Osheroff, Robert Richardson y David Lee identifican el isótopo helio-3 Demuestran que se vuelve un superfluido, un líquido que fluye sin fricción interna La superconductividad (1911) la superfluidez (1938) y la acción láser (1952) son ejemplos del comportamiento cuántico observable Los agujeros negros emiten radiación (1974) Se propone un mecanismo por el cual los agujeros negros emiten radiación Stephen Hawking, declara que los agujeros negros pueden causar emisiones de partículas subatómicas y evaporarlas Primera conexión de fibra óptica (1976) La prueba se realizó con éxito en AT&T, EE. UU; allí se instalaron dos cables de fibra óptica, c/u medía 630 metros de largo y contenía 144 fibras Se introduce el computador Apple II (1977) Steven Jobs y Stephen Wozniak realizan la primera venta de un computador personal ensamblado en vez de vender sólo partes El Apple II incluye su propio teclado, fuente de alimentación y ocho zócalos para dispositivos periféricos Esas innovaciones permitieron a los usuarios posibilidades de incorporar dispositivos y programas de software complementarios Además de ser capaz de generar gráficos en color No tuvo rival hasta la aparición del PC IBM en 1981.

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Se confirma la existencia de la materia oscura (1978) Fritz Zwicky, había propuesto en 1933, lo que sería confirmado por Vera Rubin analizan la rotación de las galaxias La gravedad es insuficiente para mantener juntos los objetos de una galaxia; las galaxias también deben contener materia invisible u oscura Se desarrollan las teorías de polímeros y cristal líquido (1979) Pierre-Gilles de Gennes hace conocer el resultado de sus investigaciones sobre los polímeros y cristal líquido.. Se propone el universo "inflacionario" (1980) El Big Bang es generalmente aceptado como el origen del universo Pero no explica detalles de la distribución de la radiación cósmica de fondo y en otras observaciones Alan Guth genera ideas de física de partículas que proponen que el Big Bang fue seguido por un tiempo de crecimiento extremadamente rápido Ésa es la base de la teoría Inflacionaria Se utiliza el láser en cirugía (1981) El láser remueve tejidos con el calor mínimo de su potencia En 1961, solo un año después de este invento, un físico y oftalmólogo usa un láser de rubí para destruir un tumor en la retina de un ojo humano Luego, se desarrolla la cirugía láser para esculpir la córnea.

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PRINCIPALES HALLAZGOS DE LA FÍSICA MODERNA (III) Origen a la nanotecnología moderna (1981) Se inventa el microscopio de barrido por efecto túnel; Gerd Binnig y Heinrich Rohrer desarrollan un microscopio especial Examina un espécimen midiendo minúsculas corrientes eléctricas entre la superficie y una finísima punta metálica La técnica puede producir un mapa generado por computadora de la superficie mostrando los contornos de átomos individuales. Se presenta el disco compacto (CD) (1982) El disco compacto (CD) que porta información codificada como concavidades leídas por un láser, es introducido con los reproductores de CD Se descubre el carbono 60 (1985) También llamado fullereno; Richard Smalley, Robert Curl y Harold Kroto descubren que 60 átomos de carbón pueden ordenarse por sí mismos Lo hacen en moléculas con forma similar a un balón de fútbol o una cúpula geodésica como la diseñada por Buckminster Fuller Estos fullerenos proveen una base flexible para el diseño y aplicación de nuevos materiales. Superconductores de “alta temperatura” (1986) Karl A. Müller y Johannes Georg Bednorz descubren materiales que se convierten en superconductores a temperaturas sobre el cero absoluto Esto incrementa el rango de usos comerciales de la superconductividad. 213

Se detectan neutrinos (1987) Neutrinos y rayos gamma desde una supernova Se detecta neutrinos desde la Supernova 1987A, en la Gran Nube Magallánica, lo que indica el colapso del corazón estelar Los hallazgos subsiguientes de rayos gamma confirman la síntesis de elementos pesados en la explosión El primer cable transatlántico de fibra óptica (1988) Se instala el primer sistema transatlántico de fibra óptica entre Europa y Estados Unidos La transparencia del cristal usado permite que los amplificadores estén separados unos 64 km El cable tiene una capacidad de 8.000 líneas telefónicas; los sistemas actuales multiplican por 100 la esa capacidad Se encuentra la Gran Muralla de galaxias (1989) Luego de inspeccionar 5 mil galaxias, Margaret Geller y John Huchra encontraron que estas están ordenadas en delgadas láminas Esas láminas, a su vez, están enrolladas alrededor de huecos gigantescos casi vacíos de galaxias, como burbujas de espuma de jabón Entre esas láminas, la Gran Muralla se extiende por millones de años luz Es la estructura más grande conocida del universo. Se lanza la World-Wide Web (1989) Tim Berners-Lee y sus colegas de la base suiza del Laboratorio Internacional de Partículas Elementales CERN, crean el Protocolo Ese protocolo de Traspaso de Hipertexto es un modo de comunicación estandarizado para redes computacionales El software, “apuntar y pulsar”, se introduce en 1993, y el HTTP se convierte en el gran recurso de transferencia de información en Internet 214

1989-1992 Se explora la radiación cósmica de fondo La NASA lanza el satélite Cosmic Background Explorer (Cobe) (Explorador de Fondo Cósmico), en 1989 El Cobe graba mapas de variaciones por minuto en la radiación térmica, representado por diferentes colores, a través del cielo. El Telescopio Espacial Hubble (1990) El gran telescopio comienza a operar Se pone en órbita sobre la atmósfera oscura de la Tierra construido bajo la supervisión de la NASA Después de corregir un desperfecto, el Hubble examina el universo con alta resolución en longitudes de onda desde el ultravioleta al infrarrojo Se completa el GPS (1993) Concluye las investigaciones sobre el Sistema de Posicionamiento Global un proyecto que había durado 20 años La Fuerza Aérea de Estados Unidos lanza los últimos de 24 satélites Navstar que contienen relojes atómicos Usuarios en cualquier parte de la Tierra pueden determinar ubicaciones precisas desde esta red para diversos usos Entre ellos, la navegación, la guía de tráfico automovilístico, la investigación geofísica… Un reactor de fusión nuclear (1993) Trabajando a temperaturas más altas que las que existen en el interior del Sol, se instala el reactor Tokamak de la Universidad de Princeton El reactor genera megavatios de poder por un segundo mediante fusión termonuclear de isótopos de hidrógeno 215

Aunque entrega menos energía de la que usa, constituye un paso importante hacia la obtención de poder mediante fusión. El acelerador del siglo XXI (1994) El Consejo Europeo para la Investigación Nuclear [CERN]) aprueba la construcción del más poderoso acelerador de partículas del mundo Actualmente acelera y provoca la colisión de rotones de alta energía en busca de objetos como el Bosón Higgs El bosón interactúa con las partículas elementales dotándolas de masa Nuevas técnicas físicas para secuenciar el ADN (1994) El Proyecto Genoma Humano comenzó en 1990 para analizar la secuencia del ADN humano, la que nos daría un completo mapa genético (genoma) En 1994 se proponen nuevos métodos físicos de secuencia Varios usan rayos láser, métodos fotolitográficos desarrollados por la industria de semiconductores y detección de moléculas individuales. Se encuentra el quark top (1995) Se detecta el sexto y último miembro de la familia quark de partículas fundamentales La rotación del núcleo interno de la Tierra (1995) Xiaodong Song y Paul Richards muestran que el corazón interior sólido de la Tierra, es de 1.500 millas de diámetro Y gira dentro del líquido externo del núcleo ligeramente más rápido que el resto del planeta. Un nuevo estado de la materia (1995) Se alcanza por la condensación de miles de átomos (condensado BoseEinstein) En 1924-1925, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron que átomos muy fríos podrían condensarse en un único estado cuántico 216

En 1995, Eric Cornell, Carl Wieman y el equipo de investigación atrapan una nube de 2 mil átomos metálicos congelados Tenían una temperatura de menos de una millonésima de grado sobre el cero absoluto, y produce el condensado de Bose-Einstein Este logro conduce a la construcción del láser atómico en 1997 El nuevo estado de la materia alcanzado en este “superátomo”, se llamará condensado Bose-Einstein o “burbuja mecánica cuántica” Es decisivo en el desarrollo de la nanotecnología La exploración de Marte (1997) Una astronave de la NASA aterriza en Marte y deja el Sojouner un pequeño vehículo con ruedas que examina la superficie y sus rocas Los neutrinos solares (1998-2008) Se puede resolver el rompecabezas de los neutrinos solares Físicos nucleares y astrofísicos habían predicho el número de neutrinos producidos en la fusión solar que podrían llegar a la Tierra Pero los experimentos detectaron sólo un tercio de ellos La solución del misterio postula que los neutrinos tienen masa, así, y evitan ser detectados al cambiar sus características camino a la Tierra El experimento ilustra la interdependencia de los reinos atómico y cósmico de una forma que no acepta discusión Las ondas gravitacionales (2000-2010) Abren una nueva ventana al universo Se cree que las ondas gravitacionales se agitan en el espacio-tiempo del universo y se espera un nuevo sistema de detección planificado La fotónica compite con la electrónica 217

En principio, los fotones pueden transmitir, manipular y almacenar información de manera más eficiente que los electrones Las fibras ópticas reemplazan los cables de cobre que han sido usados para la transmisión de datos por más de un siglo Pero, el computador “todo-óptico”, con circuitos fotónicos integrados, se encuentra aún en un grade incipiente de investigación pañales Cuando madure, serán posibles nuevas y revolucionarias formas de hacer "pensar" a las máquinas. Aquí termina el curso, estimados alumnos; buena suerte en el examen final Gracias por todo, Profe.

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