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miércoles, 26 de marzo de 2014

Decaimiento tipo ß

¿Cómo podemos definir exactamente 'radiación'?

Consiste en la liberación y propagación de ondas electromagnéticas o partículas de carácter subatómico, que se pueden propagar en el vacío y en algunos casos en medios materiales. Los tipos de radiación más frecuentes son la radiación tipo alfa, tipo beta, tipo gamma y finalmente los neutrones. En esta breve entrada nos centraremos en la beta. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde explico cómo se datan fósiles basándonos en principios físicos.

Radiación alfa, beta y gamma


En el Universo conviven cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil. La que nos interesa hoy es la débil, aquella responsable del llamado "cambio de sabor" de unos quarks a otros. Los quarks son partículas subatómicas constituyentes de los hadrones (protones y neutrones), unidas entre sí de tres en tres mediante la fuerza nuclear fuerte, más en concreto mediante una partícula llamada gluón. Por ejemplo, un neutrón está formado por 2 quarks down y 1 quark up, mientras que un protón está formado por 1 quark up y 2 quarks down. Esa fuerza nuclear fuerte es tal que es necesario el uso de grandes colisionadores de partículas de altas energías para su estudio.

Constantemente, esos quarks que componen los protones o neutrones cambian de sabor. Este cambio de sabor (paso de quark up a quark down, por ejemplo) es debido a la fuerza nuclear débil. Las partículas portadoras de esta fuerza son los bosones W y Z. Estas partículas son muy pesadas, hecho que se explica mediante el Mecanismo de Higgs. El fenómeno más probable es que un neutrón decaiga en un protón, liberándose un pión que es absorbido por otro protón, que se convierte en un neutrón, quedándose el núcleo atómico intacto. Cuantos más neutrones haya con respecto al número de protones, más probable será que al pasar de un neutrón a un protón el bosón W- (liberado en el decaimiento de neutrón a protón) no sea absorbido por un protón, por lo que el decaimiento beta más frecuente se produce en el paso de un neutrón a un protón en isótopos inestables.

Proceso de desintegración beta
Cambio de color del quark down en up, liberándose un bosón W-
que decae en un electrón de alta energía y un antineutrino

Ahora explicaremos el proceso de radiación beta por inducción, desde un ejemplo hasta la generalización. El núcleo del isótopo de carbono 14 cuenta con 6 protones y 8 neutrones (con 2 neutrones más que el elemento "tradicional"). Uno de esos dos neutrones decae en un protón mediante la interacción débil, convirtiéndose en un protón (carga positiva) y liberándose un bosón W-. Este último se divide en un antineutrino y un electrón. Así se formaría un núcleo de Nitrógeno, con 7 neutrones y 7 electrones, liberándose radiación ß-.

Decaimiento beta, produciéndose un protón, un antineutrino y un electrón de alta energía
En neutrón (n) decae en un protón (p), un electrón (e) y un antineutrino

Puede ocurrir lo contrario, que un protón decaiga en un neutrón, liberándose un positrón (antipartícula simétrica en el modelo estándar al electrón, de igual masa y carga opuesta) y un neutrino. Esta radiación es la ß+.

La existencia del neutrino fue postulada por W. Pauli en sus estudios sobre la radiación beta, al no haber una correspondencia total entre la conservación de la energía y de la masa en este tipo de decaimiento. La existencia del neutrino corregiría esa no correspondencia. 

Este proceso también está muy presente en las reacciones de fusión nuclear, donde se forman los elementos de la tabla periódica a partir de la fusión de núcleos más pequeños. Sucede mayoritariamente en las estrellas, que deben su brillo y esplendor a la existencia de la interacción nuclear débil. Nosotros mismos debemos nuestra existencia a esta fuerza, ya que todos los átomos que forman nuestro cuerpo formaron parte de una estrella, que convirtió hidrógeno y helio en elementos más pesados, liberando en el proceso radiación beta (entre otras).

La radiación beta es poco penetrante, pudiendo ser frenada por un folio. Es más penetrante, eso sí, que la alfa (formada por dos protones y dos neutrones) pero mucho menos que la gamma (energía pura que apenas interacciona con la materia).

Seguro que cuando hablé del carbono 14 este te sonaba familiar. El isótopo de carbono 14 se usa para datar materia orgánica en el tiempo. Tomando una muestra de esa materia y estudiando la relación entre los isótopos de carbono 14 (elemento padre) y de nitrógeno 14 (elemento hijo), podemos aproximar el momento en que ese organismo dejó de intercambiar carbono con el medio, es decir, su muerte.

Puedes leer algo sobre radiación alfa en la siguiente entrada: Radiación Alfa.
Un saludo!

domingo, 23 de marzo de 2014

Viajes intergalácticos: Motores WARP

En la serie de ciencia ficción Star Trek, la nave espacial Enterprise viajaba a grandes velocidades por el espacio mediante un motor ficticio llamado motor de curvatura Warp. Muchas veces, las series de ficción o los libros (como los de Verne) anticipan inventos, como el submarino. ¿Podrá ser el motor Warp una realidad algún día? Teóricamente y matemáticamente, sí. Veamos más en detalle este concepto:

Si entendemos el espacio y la gravedad desde el modelo relativista de Albert Einstein, todo lo que forma el Universo estaría incrustado en una estructura tetradimensional llamada espaciotiempo. Ya hemos hablado anteriormente de en qué consiste, pero recordémoslo. En Relatividad especial, tiempo y espacio son dos conceptos que van fuertemente unidos. Mientras que para la dinámica Newtoniana funcionaban aislados, para la de Einstein (velocidades próximas a la luz y campos gravitatorios intensos) están muy relacionados. En la práctica, es más cómodo utilizar las leyes de Newton que las de Einstein, pero a grandes velocidades...las de Newton trae problemas que solo Einstein sabe solucionar. 

Podemos imaginar el espaciotiempo como una esponja. Dentro de ella están incrustados planetas, estrellas e incluso nosotros mismos. Por el simple hecho de que algo tenga masa, deforma el espaciotiempo. Como es muy difícil imaginar algo en 4 dimensiones (yo no sé), lo simplificaremos con esta representación bidimensional. 

representación del espaciotiempo y su curvatura
Simulación de cómo se curva el espaciotiempo en presencia
de un objeto que posee masa.
Ondas y partículas se mueven siguiendo el espaciotiempo, en unas trayectorias llamadas geodésicas. Si en la imagen superior nosotros pasásemos con un coche cerca de la esfera amarilla, nos desviaríamos, como le ocurre a la línea amarilla de la imagen inferior (b). 

Curvatura del espaciotiempo

En el año 1919, esto quedó demostrado. Einstein predijo que la luz de una estrella situada detrás del Sol se curvaría para llegar a nosotros, es decir, gracias a la curvatura espaciotemporal que produce el Sol, somos capaces de ver cosas detrás de él. Como el Sol es muy brillante, la única manera de demostrarlo era durante un eclipse. Al ver dicha estrella durante el eclipse, la Teoría de Einstein cobró fuerza. 

Eclipse Einstein deformación espaciotemporal.
La luz de la estrella (A) se curva por la deformación espaciotemporal
del Sol, y llega a nosotros como si estuviese en la posición (B).

Llegados a este punto, sabemos que la energía curva el espaciotiempo "hacia abajo" o positivamente. Aquí surge un tema muy complicado en astrofísica: ¿hay suficiente curvatura como para que el Universo esté tan plegado que se 'cierre' sobre sí mismo? ¿O es prácticamente plano y por consiguiente infinito en extensión?
Las grandes velocidades y los campos gravitatorios suficientemente fuertes, producen la denominada contracción espacial y la dilatación temporal. En próximas entradas explicaré que la gravedad y las altas velocidades hacen que el tiempo transcurra más despacio y que el espacio se contraiga. Una vez que ya tenemos las nociones de Relatividad básicas, procedamos a explicar el funcionamiento de un motor Warp.

Motor Warp

Un motor de curvatura espaciotemporal, también llamado Warp, funciona deformando el espaciotiempo de la siguiente manera:

Curvatura del espaciotiempo producida por un motor warp

Curva la red del espaciotiempo de manera positiva hacia delante, contrayendo el espacio y por consiguiente "atrayendo" lo que esté delante del motor hacia sí. En la parte de atrás, se produce una curvatura negativa del espaciotiempo, de manera que se "aleja". Durante el trayecto, la nave permanece inmóvil en la llamada "burbuja Warp". Es posible "viajar a velocidades superiores a la de la luz", porque el motor permanece inmóvil todo el tiempo, y el espacio es contraído y dilatado. Se crearían puentes espaciotemporales que conectarían lugares muy remotos en el espacio o en el tiempo, lo que daría esa sensación de superar la velocidad de la luz, aunque como ya sabemos, según la Teoría de la Relatividad esto NO ES POSIBLE. Un símil podría ser: el motor Warp es un surfero que se mueve encima de las olas, que son el espaciotiempo. El surfero permanece quieto, al igual que el motor Warp.

Pero, ¿cómo conseguimos energía negativa para curvar hacia arriba el espaciotiempo?

La respuesta la hallaremos en EL EFECTO CASIMIR. Este defiende la existencia de energía negativa que curva el espaciotiempo negativamente. La física cuántica, y más en concreto el Principio de Incertidumbre, explican que en el llamado vacío cuántico se forman pares de partículas y su correspondiente antipartícula, de modo que se destruyen mutuamente liberando ondas. Si colocamos dos placas muy próximas, como en la imagen inferior, solo será posible la existencia de ondas con una longitud menor a la distancia entre las placas. Como consecuencia, entre las placas hay menos energía que en el exterior. Si en el exterior la energía es 0 porque la desprendida en la destrucción de las partículas es igual a la necesaria para que se formen, significa que en el interior esa energía necesariamente será negativa. Mediante el Efecto Casimir se podría curvar negativamente el espaciotiempo. Recomiendo leer una entrada sobre este efecto para su comprensión haciendo click sobre la imagen inferior.

Atracción no gravitacional entre dos placas muy próximas por el Efecto Casimir

A la hora de crear un motor Warp tenemos dos inconvenientes:

1. La energía negativa producida por el Efecto Casimir, hoy en día, no es capaz ni de desplazar un átomo.

2. La energía positiva necesaria para desplazar una nave espacial convencional tendría que curvar el espaciotiempo al igual que el planeta Júpiter.

Con la tecnología actual no somos capaces de crear un motor así, aunque el físico teórico Miguel Alcubierre descubriese la posibilidad de su existencia, matemática y físicamente.

La NASA lleva con discreción todo lo relacionado con este tipo de componentes. Quién sabe si un día nos parecerá algo cotidiano viajar por las estrellas gracias a esta tecnología. Hasta entonces habrá que seguir investigando y descubriendo nuevas puertas en este fascinante mundo que es la FÍSICA.

Un saludo, compartid y dejad comentarios.
Hasta la próxima!

martes, 18 de marzo de 2014

Ondas Gravitatorias Primigenias

Hoy, día 11 de febrero de 2016, los físicos están de fiesta. Han sido detectadas por el equipo de investigación LIGO ondas gravitatorias primigenias procedentes de la colisión de dos agujeros negros. Veamos un repaso general para ver de qué trata todo esto:

El Big Bang es una teoría de la evolución del Universo. Dado que es un hecho que el Universo está en expansión (demostrado por Edwin Hubble), en algún momento con anterioridad debió ocupar un volumen menor y menor...Así, podemos imaginar que al principio de los tiempos todo "estuviese concentrado en un punto". A partir de ahí surgió la Gran Explosión que originó el Universo actual. ¿Pero por qué esa explosión? 

Fruto del Big Bang, y 300.000 años después de este, los electrones se asociarían con los núcleos atómicos para formar los primeros elementos (hidrógeno, helio, litio...). En esas transiciones electrónicas se emitieron fotones, que hoy en día los detectamos con satélites como el WMAP (localización) o el novísimo Planck.

Debido al Efecto Doppler, detectamos esa radiación en forma de microondas.

Fondo de microondas cósmico proporcionado por el satélite WMAP
Imagen proporcionada por el WMAP
Este mapa inicial del Universo, donde podemos observar que la materia no está uniformemente distribuida, puede ayudarnos a ver dónde se localizan los cúmulos masivos (galaxias, grupos...) de nuestro Universo. Este es un claro argumento a favor de la Teoría del Big Bang. Pero, ¿cómo se formó el Big Bang?

En 1981, Andrei Linde y Alan Guth, dos físicos estadounidenses, presentaron su Teoría de la Inflación. En ella, el Universo comenzó debido a una serie de fluctuaciones cuánticas (aniquilación entre materia y antimateria, clic aquí para saber más). Así, se inició una expansión exponencial llamada inflación. En un intervalo de tiempo lo más diminuto imaginable, el Universo pasó de ser del tamaño de una canica al de una galaxia...

Imaginemos que todo el espacio en expansión es una olla a presión llena de agua hirviendo. Nuestro universo se formaría a partir de burbujas de ese agua hirviendo, es decir, cuando esa inflación se frena y no sabemos por qué. Esa burbuja dejaría de expandirse exponencialmente, y toda la energía liberada en ese proceso se transformaría en la materia actual del Universo, la radiación, materia y energía oscura... A partir de aquí surgen teorías como la de universos múltiples...

En esa creación de energía y materia se producen fluctuaciones. Como nos muestra el WMAP, la distribución de esa materia no es uniforme.

Alan Guth y Andrei Linde
Modelo inflacionario

Imaginemos el Universo como una enorme sábana (el espaciotiempo). Al crearse materia sobre esa sábana, se crean ondulaciones que se propagan por toda la sábana. Esas ondulaciones de la sábana son las ondas gravitatorias, predichas por Einstein hace 100 años. Se propagan a la velocidad de la luz, así que hay cierta relación entre el fondo de microondas y estas ondas. Debido a la gran densidad del universo primitivo, esas ondas eran bastante poderosas. Clic aquí para saber más sobre Relatividad Especial.


Esos fotones del fondo de microondas poseen una determinada polarización, que depende del último átomo en el que haya rebotado esa luz. Estudiando la polarización del fondo de microondas cósmico, los físicos han determinado que en ese ambiente existían ondas gravitacionales, lo que es un argumento a la teoría de la inflación y a la de la relatividad general.

Hace pocas horas, se ha descubierto la presencia de ondas gravitatorias primigenias, ondas procedentes de los comienzos del Universo. La presencia de estas perturbaciones, meras hipótesis durante más de 30 años, es un argumento a favor de la Teoría de la Inflación. Hoy dejan de ser hipótesis. 

Hoy sabemos un poco más sobre el origen del Universo.

Alan Guth, paul Steinhardt y Andrei Linde
Alan Guth, paul Steinhardt y Andrei Linde
Aquí os dejaré algunos enlaces sobre este magnífico descubrimiento:










sábado, 15 de marzo de 2014

Péndulo de Foucault

Hoy en día, gracias a la existencia de satélites, podemos comprobar que la Tierra se mueve. Pero, ¿cómo demostró esto León Foucault hace más de 150 años?

Primero debemos recordar la Ley de la Inercia de Newton, publicada en su famoso libro Principia Mathematica, que es además el libro donde nace la física moderna. Esta ley dice que todo cuerpo conservará su estado de reposo o de movimiento rectilineo uniforme a no ser que actúe una fuerza (o varias cuya resultante no sea nula) sobre él. Esto indica que un cuerpo sobre el que no actue una fuerza no va a variar su movimiento. Una pelota que se mueva en línea recta no variará su movimiento si no hay fuerzas que actúen sobre ella.

Conservación de la energía mecánica en un péndulo


En un péndulo "ideal", la energía mecánica se conserva. La energía cinética (relacionada con la velocidad) más la potencial (relacionada con la altura) en cualquier punto siempre será la misma y, si no tenemos en cuenta el rozamiento, sobre él no actuará más fuerzas que la gravedad. Entonces el péndulo siempre se moverá en línea recta si no aplicamos fuerzas sobre él. 

El experimento que realizó Foucault a mediados del siglo XIX fue colgar una bola de cañón de la cúpula de una catedral a modo de péndulo. En la parte de abajo colocó una aguja para que el péndulo dejase marcada su trayectoria en el suelo, tal que así:

Bola de cañón con punta metálica en la parte de abajo
Bola de cañón con aguja abajo para dejar la marca de su trayectoria

Después de varias horas de oscilación del péndulo, el resultado del experimento fue el siguiente:

Marcas dejadas por el péndulo durante el experimento de Foucault
Resultado del experimento de Foucault

Bajo el péndulo se apreciaban marcas como las del dibujo. Si el movimiento del péndulo es rectilineo, pero aparentemente "va girando", quiere decir que "el suelo se mueve bajo el péndulo". Dicho de otro modo, la Tierra se mueve. 
Debido a la rotación terrestre, y dado que el péndulo no cambia de dirección nunca, observamos que la trayectoria del péndulo parece ir rotando, cuando lo único que rota es nuestro planeta. La explicación técnica a este efecto la encontramos en el efecto Coriolis, una fuerza originada debido a la rotación terrestre que es la causante del giro de los huracanes. Puedes leerla aquí.



Puedes realizar un símil de este experimento en casa, colocando una cartulina en el suelo y colgando del techo una cuerda atada a algo esférico (no demasiado ligero) y a una mina de lápiz. Mientras dure el efecto de la oscilación, ve moviendo la cartulina como si fuese nuestro planeta rotando sobre sí mismo. También puedes esperar a que ocurra de forma natural, pero necesitas paciencia...

Evidentemente este aparente movimiento no será igual en todos los puntos del planeta. Mientras que en los polos el péndulo tarda 24 horas en completar una vuelta (lo que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre sí misma), a medida que nos acerquemos al ecuador tardará más. En el ecuador, dado que el plano de oscilación es perpendicular al eje de rotación, el péndulo oscilará en la misma linea siempre. La fórmula que relaciona el periodo (tiempo en volver a un mismo plano de oscilación) y la latitud a la que se encuentre el péndulo, es la siguiente: 

T=24/sen ß  siendo ß el ángulo de la latitud donde se encuentre el péndulo.

A partir de la fórmula deducimos que en los polos (latitud 90º, sen 90º = 1) el periodo es de un día, mientras que en el ecuador no existe periodo dado que no varía el plano de oscilación. En Salamanca, una ciudad de España con una latitud de 40º 58', el tiempo que tarda el péndulo en completar una vuelta es de 36 horas y 36 minutos. 

Las siguiente fotografías y el vídeo pertenecen al péndulo de la Facultad de Físicas de la Universidad de esta ciudad, Salamanca:

Péndulo de Foucault en la Facultad de Físicas de la Universidad de Salamanca, España.

Péndulo de Foucault en la Facultad de Físicas de la Universidad de Salamanca, España.


video

Al igual que en la mayoría de facultades de Ciencias, este péndulo lo hallamos en miles de museos por todo el mundo, dada su gran relevancia. 

Gracias por haber leído esta entrada. Compartidla a quién penséis que le pueda interesar.
Nos vemos en la próxima.
¡UN SALUDO! 

miércoles, 12 de marzo de 2014

Los puntos de Lagrange

Los puntos de Lagrange, descubiertos por Joseph-Louis Lagrange en el siglo XVIII, son lugares entre dos cuerpos masivos donde un tercer cuerpo de masa despreciable está en estabilidad gravitacional. En la práctica, son lugares del espacio donde podemos colocar satélites o sondas ya que las fuerzas gravitacionales en ese punto se anulan, lo que le otorga gran estabilidad a ese tercer cuerpo. En el sistema de rotación Tierra-Sol, como en general, existen 5. Veámoslos:

Puntos de Lagrange en el sistema Tierra-Sol
Puntos de Lagrange.
L1

En este punto, la atracción gravitatoria del Sol es compensada por la atracción terrestre. Se calcula facilmente igualando las dos fuerzas gravitatorias opuestas:

Atracción Gravitatoria del Sol = Atracción Gravitatoria de la Tierra

Distancia Tierra-Sol = 150.000.000 Km

A partir de esos datos y conociendo las masas de los dos cuerpos, halamos que L1 se encuentra a 1.500.000 km de la superficie terrestre. Orbita a la misma velocidad angular que la Tierra, conque aparentemente está fijo. La fuerza de la gravedad que lo atrae hacia el Sol se anula con la que lo atrae hacia nosotros.

Aquí encontramos los satélites SOHO y ACE, entre otros.

L2

Este punto se encuentra en dirección opuesta al anterior, detrás de la Tierra. Describe su órbita a la misma velocidad angular que la Tierra, pero con un radio mayor. Si no fuese por la atracción terrestre que contrarrestra a esa fuerza centrífuga, los satélites allí alojados saldrían disparados. Se encuentran aparentemente estáticos desde el punto de vista de un observador en la Tierra.

Aquí encontramos al famoso WMAP, satélite que estudia el fondo de microondas cósmico.

L3

L3 se encuentra a una distancia parecida a la Tierra del Sol, pero en sentido opuesto. Gira en torno al centro de gravedad entre la tierra el Sol (que no es exactamente el propio Sol, si no un punto cercano a la superficie solar que es el centro de masas entre la Tierra y el Sol), y por tanto está un poco más cerca del Sol que la Tierra.

En la práctica es un lugar muy inestable, porque Venus pasa relativamente cerca suyo cada 20 meses aproximadamente. No es práctico la colocación de sondas allí. 

L4 y L5

Estos dos últimos puntos, los más estables, se encuentran orbitando en torno al baricentro de las masas de los dos cuerpos grandes. Forman un triángulo equilátero con ángulos de 60º con respecto a ellos. En el caso del resto de los puntos, cualquier mínima desviación puede ser catastrófica. Sin embargo, L4 y L5 son matemáticamente y físicamente más estables. Si te interesa la demostración matemática donde se deducen estos puntos, clic aquí. Colocar un satélite en L1, L2 o L3 es como colocar una canica encima de una bola de billar, son necesarios continuos reajustes para perfeccionar su órbita. En cambio, en L4 y L5, es como colocar la canica en un cenicero: mucho más estable.


Localización de los puntos de Lagrange en el sistema Tierra-Sol
Puntos de Lagrange entre la Tierra y el Sol

Un saludo, espero que os haya gustado esta entrada. Compartidla y dejad en los comentarios de qué queréis que hable la semana que viene.
Nos vemos en la próxima, saludos!

sábado, 8 de marzo de 2014

El Universo a escala

En esta breve entrada, os quiero mostrar algunas animaciones web donde podemos apreciar nuestro Universo a escala real. Haz clic sobre el título de cada apartado para visualizar el contenido.

How big is the space?

Se trata de una representación del Sistema Solar, pasando por las capas de la atmósfera y las regiones del espacio más próximas a nuestro planeta. Mediante un cohete espacial vamos recorriendo los distintos escenarios a distinta velocidad. En la esquina inferior derecha se muestra el tiempo que hubiese tardado la nave en llegar donde estamos si la velocidad fuese la misma todo el tiempo, ya que va aumentando (si no podríamos pasarnos más de 20 horas).



En esta página puedes comparar el tamaño de un humano con todas las distancias existentes en el Universo, desde la plenitud del Universo observalble (un uno seguido de 18 ceros millones de kilómetros) hasta la distancia más diminuta posible: la longitud de Planck (un uno seguido de 35 ceros veces más pequeño que un metro). Clic aquí.


En este vídeo podemos comparar el tamaño de algunas estrellas con respecto a nuestro Sol. Clic aquí. 



En este otro vídeo, similar al anterior, podemos comparar también el tamaño de algunas estrellas. Clic aquí.



¿Alguna vez creíste que el Sistema Solar era así?

Reprecentación no a escala del Sistema Solar

En esa página puedes comprobar que esto no es así. Te sorprenderá comprobar que en la mayor parte no hay nada. Clic aquí. 

Otro vídeo que me ha comentado un seguidor de mi cuenta de Google + (Sígueme aquí) ha sido el siguiente. Espero que lo disfrutéis: Clic aquí



Si conoces algún vídeo interesante por el estilo, por favor déjalo en los comentarios.
Un saludo!
Hasta otra!


miércoles, 5 de marzo de 2014

¿Por qué el cielo es azul?

Dando un paseo en bicicleta este fin de semana, pensando a la vez de qué hablar en el Blog, miré al cielo y me vino esta idea a la cabeza. ¿Por qué el cielo es azul?


En este blog se explica por qué el cielo es azul

Es importante recordar primero qué es la refracción de la luz, a quién debemos esos conocimientos sobre óptica y cómo puede afectar esto al color del cielo.

La Refracción.

La refracción es un cambio de trayectoria de una onda electromagnética al pasar de un medio transparente a otro, donde cambia su velocidad.

La velocidad de la luz en un medio transparente depende de las características electromagnéticas del propio medio, que "frenan" a esos fotones que forman la luz.

La luz se mueve en el agua con una velocidad aproximada de 225.000 km/s. En el vacío la luz se mueve a 300.000 km/s. Si dividimos la velocidad en el vacío (c) entre la velocidad en un medio transparente (v), obtenemos el llamado índice de refracción en el medio. En el caso del agua, el índice de refracción es de 1,3330. Esto significa que la luz en el agua se mueve 1,333 veces más despacio que como lo haría en el vacío.

Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, ambos transparentes y de distinto índice, el rayo se curva.  Esto es debido a ese cambio de velocidad. El ángulo de curvatura podemos calcularlo mediante la Ley de Snell. Metiendo un lápiz en un vaso de agua y observándolo se puede ver claramente este efecto.

En entradas como Eclipses Lunares y la Radiación de Chérenkov también hablábamos de refracción.

Refracción observable de un lapiz en un vaso de agua.
Apuesto a que esta imagen os
resultará familiar.

Tal como demostró Newton con sus Lecciones de Óptica, la luz se refracta por longitudes de onda. Las longitudes de onda más grandes (rojo) se desvían menos que las más cortas (azul):

Refracción por colores de la luz blanca.
Refracción al pasar por el prisma de un rayo de luz blanca por colores.

Podemos observar que los colores más desviados, correspondientes a las menores longitudes de onda, son el azul y el violeta; mientras que el resto se desvían mucho menos.
Ahora bien, las pequeñas gotitas de agua que están en la atmósfera funcionan como el prisma de la imagen superior. Son las que después de la lluvia forman el arcoiris. La luz del sol, al impactar con esas gotitas, se desvía. Lo que ocurre es que la mayoría de los colores se desvían tan poco que casi parece que siguen en línea recta. Pero el azul...no. El azul, al ser el que más se desvía, no lo percibimos como si nos llegase directo del Sol, sino de otro sitio. 

Explicación en un dibujo de por qué el cielo es azul

En la imagen (algo exagerada para entender mejor) podemos ver que al hombrecito le llegan todos los colores prácticamente sin desviar de la gota de agua "A", pero que le llegan desviados el azul y el violeta de la gota "B". Como el azul lo percibe de un lugar diferente que donde está el Sol como el resto de los colores, a nuestro hombrecito le parece que todo lo que no es el Sol es de color azul. Además, esos rayos azules van haciendo zig-zag, rebotando en las partículas de polvo atmosférico, desviándose aún más. Esta es la explicación de por qué percibimos el cielo de color azul. Al atardecer, debido a que el Sol incide con un ángulo mucho mayor, percibimos solo esas longitudes de onda más largas. Por eso vemos el cielo rojizo al atardecer. Explicación semejante es la de por qué los eclipses lunares tiñen a nuestro satélite de color rojo. En próximas entradas trataré estos temas.

En otros planetas, como Urano o Neptuno, la atmósfera es azulada debido a la alta concentración en metano. En la Tierra, la mayoría de los gases de la atmósfera son transparentes a la luz visible, es decir, sus electrones no se ven afectados por ningún fotón de longitudes de onda entre los 400 y 700 nanómetros. Por eso debemos explicar el color del cielo de otro modo.

Espero sinceramente que os haya gustado. Comentad y compartid.
Un saludo!

domingo, 2 de marzo de 2014

El CERN y el Bosón de Higgs

La Organización Europea para la Investigación Nuclear fue fundada en 1954. Las siglas provienen de su nombre en francés. Se creó con la finalidad de la investigación científica conjunta entre miles de científicos de todo el mundo. Primeramente tenía el objetivo de unir a la Comunidad Científica Europea después de la II Guerra Mundial, pero tuvo un mayor alcance, y hoy en día es el centro de investigación más importante del mundo.


Allí se inventó el Internet, y han sido muchos los que han conseguido un Nobel de física trabajando allí. Los últimos fueron Petter Higgs y François Englert, galardonados por la teorización del Campo de Higgs, descubierto en el propio CERN hace menos de un año. En este vídeo podemos ver el momento en el que el Director del CERN anuncia el descubrimiento de la partícula: Descubrimiento del Bosón de Higgs.


Han pasado 50 años desde que Higgs y Englert la teorizaran, hasta que esta partícula fue descubierta. Por ello, a los padres del Bosón de Higgs les fue otorgado el Premio Nobel de Física el pasado 8 de octubre de 2013. 

En los años sesenta se produjo la unificación de la fuerza electromagnética con la nuclear débil, a lo que se llamó Fuerza Electrodébil. Para que la teoría tuviese sentido matemático, era necesaria la existencia de un campo que dotara de masa al resto de las partículas: el Campo de Higgs. 

Gracias a él, explicamos por qué algunas partículas tienen masa y otras no. En el siguiente vídeo proporcionado por el CPAN (Centro Nacional de Partículas, Astropartículas y Nuclear), podemos ver y entender en poco más de 5 minutos todo esto: Hágase la Masa


Ahora bien, ¿qué hacen exactamente en el CERN?
Allí tienen, entre otras cosas, el acelerador de partículas más grande del planeta, varios tubos de 27 kilómetros de longitud enterrados bajo tierra. Además, es el lugar más frío y vacío de todo el Sistema Solar. Su acelerador más importante, el LHC (Large Hadrons Collider o Gran Colisionador de Hadrones), se encarga de acelerar protones a velocidades cercanas a la luz, para hacerlos chocar y obtener multitud de partículas útiles para conocer los inicios de nuestro Universo. En este último vídeo que os dejo, podéis ver el funcionamiento simplificado del LHC: Recorrido de Partículas



El LHC comenzó a funcionar sin pausa en 2009, con un incremento de la intensidad de las colisiones que llegó a finales de 2012 a su máxima potencia, a 7 TeV (1 eV es la energía adquirida, en este caso de un protón, al aplicarle una diferencia de potencial de 1 voltio. 7 TeV equivalen a 7 millones de eV). Con esa energía y a esas velocidades, la masa del protón se multiplica 7 millones de veces. después de unas reformas, en 2015 el LHC podrá funcionar al doble de su capacidad. 1 eV = 6,24 x 10E18

Muchos pensaban que al activar esta enorme máquina podría acabarse el mundo al formarse agujeros negros en miniatura. Stephen Hawking demostró que un agujero negro emitía una radiación inversamente proporcional a su superficie. Por este motivo no hay que temer a los agujeros negros que se puedan formar en miniatura, no vivirán el suficiente tiempo ni para poder ser detectados.


Hoy en día podemos decir que el LHC es la máquina más grande y perfecta creada por la civilización Humana, que apuesta por el conocimiento sobre lo que nos rodea.

Y no solo existen aceleradores circulares, sino también aceleradores de partículas lineales.

Un saludo, espero que os haya gustado esta entrada. 
¡Nos vemos la semana que viene!