Crear materia a partir de luz

Sí, parece raro afirmar que a partir de algo sin masa como es la luz, podamos crear materia...

Recordando lo dicho en mi última entrada, la energía y la masa son magnitudes muy relacionadas. La ecuación simplificada que utilizaremos para ejemplificar esta situación es:

En la ecuación superior, la E hace referencia a la energía, la m a la masa y la c a una constante que es la velocidad de la luz en el vacío (aprox. 300.000.000 m/s).

Para una 'pequeña' masa de 1 kg, equivaldría una energía de 90.000.000.000.000.000 Julios, es decir, que si lográsemos transformar un solo kilo de masa en energía podríamos mantener encendida una bombilla convencional de 50W durante 57 millones de años...imagínate la energía que produce el Sol transformando cada segundo 4 millones de toneladas de materia en energía mediante la fusión nuclear. 

Más increíble aún, con la masa de un grano de arroz transformada íntegramente en energía, podríamos hacer que un coche de 1000 kg que está parado acelere hasta unos supuestos 420.000 km/h (hipotéticamente, ya que violaría la Teoría de la Relatividad de Einstein), o que un camión cargado con mil coches acelerara hasta 1000 km/h...y sólo con un grano de arroz...

Otro ejemplo es una bomba atómica, mediante la cual con pequeñas masas se pueden crear energías devastadoras. Einstein nos dejó una ecuación, conocimiento, pero no la forma de transformar materia en energía o viceversa.

El ejemplo de la bombilla y el del grano de arroz son solamente ejemplos. Hoy en día no sabemos cómo transformar la masa en energía útil con esas finalidades.

A lo largo del siglo XX numerosos físicos han tenido ideas sobre cómo hacerlo, algunas de las cuales se reflejan en los siguientes diagramas de Feynman (representaciones simbólicas de interacciones cuánticas):

Las más conocidas son la aniquilación de Dirac (donde un electrón y su antipartícula, el positrón, se aniquilan formando energía) y el efecto fotoeléctrico (donde un haz de fotones "arranca" electrones en una placa metálica, base teórica de la energía fotoeléctrica).

Los físicos Breit y Wheeler encontraron teóricamente que realizando el proceso inverso a la aniquilación de Dirac, se podrían generar electrones y positrones a partir de fotones muy energéticos. Hasta la actualidad, la tecnología no ha sido suficiente para demostrar su teoría, pero el pasado mes se logró idear el escenario necesario para tal experimento. ¿En qué consiste?

Primero, mediante un acelerador de partículas (un importante candidato sería el CERN de Ginebra), se aceleraría a velocidades próximas a la de la luz a un haz de electrones, que se harían colisionar contra oro para generar fotones muy energéticos. Después, harían incidir un rayo láser de alta energía contra una cavidad de oro para obtener temperaturas semejantes a las del Sol. Al igual que un hierro incandescente cambia de color al calentarse, la cavidad de oro a tan alta temperatura emitirá fotones muy energéticos, que se harían colisionar con el grupo anterior y así generar pares de electrones/positrones. La cavidad de oro funcionaría como un cuerpo negro, que emite ondas electromagnéticas a una frecuencia relacionada con su temperatura.

En todo momento se cumple que la energía total permanece constante, porque según la fórmula E=mc2, la energía de esos fotones ahora equivale a la masa del electrón más la del positrón.

Puede que en pocos años pueda realizarse este experimento, junto con la creación de grandes colisionadores de fotones. También puede que sea un paso más hacia la fusión fría, una rama de la física y de la tecnología que solventaría los problemas mundiales de energía.

Un saludo, espero que haya sido interesante.
Gabriel.

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.

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.

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-.

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!

¿Qué es el Efecto Casimir?

Es probable que nunca hayas oído hablar de tal efecto, pero no por eso pierde su encanto. ¡Veamos en qué consiste!

A comienzos del siglo XX, Max Planck inaguró la Teoría Cuántica. Más tarde, en la década de 1930, el físico alemán Heissenberg propuso el 'Principio de Incertidumbre', pero ¿en qué consiste? 

Básicamente dice que no podemos saber con plena exactitud la posición y la velocidad de una partícula: si sabemos con precisión su velocidad, no podremos decir con exactitud dónde se encuentra, y viceversa.  En realidad la formulación original dice que no podemos conocer con total precisión la posición y el momento lineal (que es proporcional a la velocidad). El propio Heissenberg estableció el límite entre el producto de ambas incertidumbres. Para "observar" esa partícula, necesitamos de ondas con poca longitud, tales como rayos gamma o X. Al usar esos fotones con tanta energía, modificamos y desviamos a la partícula. Simplemente con el hecho de observarla, modificamos su velocidad. Esto es proporcional a la masa de la propia partícula. Como consecuencia, no podemos conocer exactamente ambos parámetros.

Ahora bien, imaginémonos en el espacio. Si estuviese realmente vacío, conoceríamos la velocidad de todas las partículas (0) y su posición (0). ¡Básicamente lo sabríamos porque no están! Esto niega el Principio de Incertidumbre, entonces tiene que haber algo...¿pero qué?

La respuesta es el 'Falso Vacío': pares de partículas y antipartículas que se generan espontáneamente, y que se autodestruyen al instante. Al destruírse, se emite energía (la misma que se necesitó para que surgiesen). ¿Os acordáis de la película Ángeles y Demonios de Tom Hanks? Pues la bomba que buscan está hecha de antimateria, por eso al juntarse con materia explota. Es una comparación con lo que pasa a pequeña escala en el espacio.

Al juntarse materia y antimateria, se autodestruyen liberando energía

Podemos decir que eso está ocurriendo continuamente en el espacio, conque este está repleto de esas ondas. Ahora 'colocaremos' dos placas de metal muy juntas. ¿Qué ocurrirá?

Efecto Casimir

Tal y como vemos en la imagen inferior, la energía que existe dentro y fuera de las placas puede interpretarse como fotones con diferentes longitudes de onda:

Pero dentro no caben todas las longitudes de onda que caben fuera, ya que solo serán posibles aquellas cuya longitud de onda sea divisor de la distancia entre las dos placas (más correctamente, la mitad de la longitud de onda). De esta forma, se crea una presión mayor fuera que dentro, lo que origina una fuerza atractiva entre las placas. Este efecto fue predicho en 1948 por Hendrik Casimir y Dirk Polder.

Como dato curioso, si la distancia entre las placas es de 10 nanómetros (la cienmilésima parte de 1 milímetro), la presión entre las placas sería aproximadamente igual a una atmósfera de presión.

Esto queda muy bonito teóricamente, pero en la práctica también se puede comprobar. Veamos ejemplos:

En el vídeo, a partir del minuto 2:20 aproximadamente, podemos observar un ejemplo de el Efecto Casimir en el agua.

Se cree que esta fuerza es la que pudo ocasionar la rápida expansión inicial del Big Bang. El científico estadounidense Alan Guth dijo: "...por eso, el Universo pudo surgir de la nada, porque es, básicamente, nada". En esta frase, lo que quiere decir es que la suma de todas las energías en el Universo es 0 (porque se considera la gravedad como negativa y la masa y energía positiva, y la suma debe dar 0), por tanto la idea del 'Falso Vacío' puede explicar el origen de nuestro Universo. Las diferencias en la distribución de la materia en el universo originan diferencias en la distribución de este falso vacío. Si fuera de las placas la energía es 0, y dentro es menor, en su interior debe ser negativa, ¿no? Esta energía negativa funcionaría al revés que la materia o la energía convencionales. Como la energía se atrae mutuamente por acción gravitatoria, la energía de vacío tendría carácter antigravitatorio, expandiendo el universo.

¿Por qué se expande nuestro Universo? Aunque esta pregunta necesitaría muchas entradas para ser explicada, nos limitaremos a decir que hay algo que lo expande. Unos lo llaman falso vacío, otros energía oscura, y Einstein llegó a decir que fue la constante cosmológica de sus ecuaciones, lo que creyó que fue el mayor error de su vida. Hasta los genios a veces se equivocan...

Esta energía puede tener aplicaciones increíbles, como la posibilidad de crear atajos en el espacio-tiempo para comunicarnos con otro punto del Universo o con otra época. La NASA está investigando un tipo de motor que funciona con esta energía, motor tipo WARP. Si quieres leer sobre cómo funcionan estos motores, te recomiendo leer esta entrada: Motores WARP

Una última cosa: la energía positiva (luz, materia...) curva el espacio-tiempo hacia "abajo", mientras que esta energía lo curva hacia "arriba". Este sería un escenario ideal para la creación de un agujero de gusano, una especie de atajo espaciotemporal que nos permite viajar a otra coordenada del espaciotiempo. ¿Qué quiere decir esto? Que los viajes en el tiempo a escalas subatómicas están un pasito más cerca...

Los agujeros de gusano fueron teorizados por Albert Einstein y Nathan Rosen, y fueron bautizados como los puentes de Einstein-Rosen. En un reciente artículo, se cree que en unos años seremos capaces de enviar pulsos de luz gracias a puentes estrechos, cuya vida media es muy pequeña. Puedes leer la noticia desde los siguientes enlaces: Enlace 1, Enlace 2 y Enlace 3.

Representación de un motor WARP. Curvan el espacio-tiempo
hacia arriba, de manera que "viajan más rápido que la luz"

Espero que os haya gustado esta entrada, comentad, compartid y muchas gracias. ¿Queréis que hable de los agujeros de gusano relacionándolo con este tema? Si es así, dejadlo en los comentarios.

¡Hasta otra!