Uno de los conceptos que más tiempo lleva dando vueltas en la cabeza del ser humano es la luz. A lo largo de la historia, físicos de todo el mundo han ido escribiendo obras sobre la naturaleza de la luz. Diferentes experimentos como el de la doble rendija (Thomas Young, 1801) demostraron que la luz se comportaba como una onda. Incluso Maxwell demostró que la luz era una onda electromagnética.
Pero a principios del siglo XX, la hipótesis corpuscular recobró importancia gracias al efecto fotoeléctrico y al efecto Compton. En la entrada de hoy trataremos éste último.
Arthur H. Compton utilizó el concepto de fotón para explicar la dispersión de los rayos X en 1923. De acuerdo con la teoría ondulatoria, cuando un haz de una determinada frecuencia alcanza un electrón, éste comenzará a vibrar y emitirá nuevas ondas de la misma frecuencia. Pero experimentalmente se demostraba que la frecuencia de las nuevas ondas era menor.
Compton escribiendo la ecuación que lleva su nombre
Compton partió de la expresión relativista de la energía de un fotón de momento p y de la Ley de Planck:
Ahora consideremos el choque entre un fotón y un electrón como se muestra en la figura inferior:
Teniendo en cuenta la conservación del momento lineal en dicho choque, así como de la conservación de la energía.
El 1 denota al rayo incidente, la e al electrón y el 2 al rayo dispersado
Sustituyendo la expresión (1) en (2), podemos obtener la Ecuación de Compton de forma trivial:
De la ecuación resultante se deduce que el fotón dispersado tiene mayor longitud de onda debido a la energía que ha perdido en el choque. Esto demuestra que la luz se comporta como una partícula cuando interacciona con los electrones, es decir, como un cuanto o fotón.
Edwin Herbert Hall (1855-1938) fue un físico estadounidense que trabajó en Harvard, donde como estudiante de doctorado descubrió el efecto que lleva su nombre.
A grandes rasgos, el Efecto Hall consiste en la aparición de una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos de un conductor atravesado por un campo magnético por el que circula una corriente.
Esquema ilustrativo del Efecto Hall
Imaginemos que nos encontramos en la década de 1870, cuando el Electromagnetismo es aún un gran desconocido. Todavía quedan muchos años para el descubrimiento del electrón (Thomson, 1897) y para la formulación de la Fuerza de Lorentz.
Las corrientes eléctricas eran un misterio, pero gracias al Efecto Hall se pudo saber que los portadores de carga que se desplazaban por los cables conductores eran negativos. Intentemos entenderlo desde el principio:
Sea un conductor plano de dimensiones transversales a y b recorrido por una intensidad I y atravesado por un campo magnético B, como se esquematiza en la ilustración inferior.
fig. 2
La fuerza de Lorentz aparece sobre cargas en movimiento en el interior de campos magnéticos, y el módulo de dicha fuerza es el producto del módulo del campo multiplicado por la velocidad y la carga (F = qvB). Su dirección es perpendicular a B y a v, y su sentido depende también de si la carga es positiva o negativa.
Es obvio que sobre las cargas que circulan por el conductor aparecerá una fuerza de Lorentz de sentido ascendente, de forma que los electrones (los portadores) se acumularán en la zona superior de la fig. 2, y que la zona inferior se cargará positivamente.
Como consecuencia de esa reordenación de las cargas, se formará un campo eléctrico uniforme que parte de la zona cargada positivamente hacia la zona cargada negativamente, de forma que tiende a anular la fuerza de Lorentz. Cuando el módulo de ambas fuerzas (magnética y eléctrica) sean iguales, aparecerá un voltaje constante en el tiempo llamado Voltaje Hall. De forma cuantitativa:
Una importante consecuencia de este efecto viene dada por el estudio del signo del voltaje observado. Veamos cómo se determinó que la carga de los portadores de corriente eléctrica (aún no se había descubierto el electrón) era negativa:
Como experimentalmente se determinó que el voltaje en B era menor que en A, el campo eléctrico estaba dirigido hacia arriba, y por consiguiente la fuerza de Lorentz tendría que dirigirse hacia abajo. De esta manera se supo que los portadores de corriente eléctrica poseían carga negativa.
Además de poder medir la carga del electrón, podemos usar el efecto Hall para medir la intensidad y el sentido de campos magnéticos, de corrientes eléctricas e incluso la densidad electrónica de materiales conductores y semiconductores. Se usa también en automovilismo, en música, en lectores de CD y en muchos más campos.
Todos hemos oído hablar de la Teoría de Supercuerdas (popularmente conocida como Teoría de Cuerdas). Básicamente es una teoría que abarcaría todo: con unas "simples" ecuaciones podríamos describir todos los procesos físicos del Universo. Es por eso que en inglés se conoce como TOE (Theory of Everything), ya que la palabra "toe" significa "punta del pie", que hace referencia al final o a la teoría final...juegos de palabras.
No hay una ni dos teorías de cuerdas, sino que hay hasta cinco. Lo que busca la física actual, entre otras cosas, es la llamada Teoría M, que englobaría todas. Es el Santo Grial de la ciencia.
Desde Newton, quien juntó Cielo y Tierra con sus leyes del movimiento y su Teoría de la Gravitación Universal, los científicos han intentado reducir todo lo observable en el Universo a cuatro fuerzas fundamentales. En el siglo XX, la Relatividad de Einstein era capaz de comprender la gravedad, y la Teoría Cuántica podía entender el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerte.
Puede parecer sencillo encontrar la teoría que lo explique todo, bastaría con unir la Relatividad y la MecánicaCuántica...y ahí está el problema...no sabemos cómo hacerlo. Mejor dicho "no sabíamos cómo hacerlo hasta que surge la Teoría de Cuerdas", capaz de englobar la cuántica y la relatividad. El problema es la extrema complejidad de la teoría...
Otro problema es que se necesitarían entre 11 y 26 dimensiones para que la teoría funcionase. Además, la longitud de una cuerda es millones y millones de veces inferior a un átomo, por lo que aún no las podemos "ver". Algunos científicos consideran a la Teoría de Cuerdas como parte de la Filosofía, ya que trabaja con elementos abstractos no demostrables [aún].
Uno de los teóricos de cuerdas más conocidos por sus trabajos en la actualidad es el Profesor Brian Greene. Escribió, entre otros, un libro llamado "El Universo Elegante", que puedes encontrar en formato .pdf y .epub en la sección Archivos de este mismo blog.
Asimismo, Brian Greene participó en el episodio 20 de la 4ª Temporada de la serie The Big Bang Theory. Si quires echarte unas risas viendo como Sheldon menosprecia su trabajo, puedes verlo aquí. Greene sale desde el principio hasta el minuto 3 más o menos, dando una conferencia sobre su trabajo.
De ese libro nació un documental donde el propio autor es protagonista. Dejo aquí abajo los vídeos, que lo explicarán todo mejor que yo.
En entradas anteriores (El Efecto Doppler y La Expansión del Universo) mencionamos una ecuación que nos permitía relacionar la frecuencia emitida (como el sonido "real" que sale de la sirena de una ambulancia) con la frecuencia percibida (sonido "distorsionado" que oímos). En la entrada de hoy vamos a intentar razonar por qué es así:
A. Observador en movimiento y fuente en reposo
El observador somos nosotros, los que percibimos, por ejemplo, un sonido. La fuente es el instrumento que emite ese sonido. Imaginemos un piano sonando y nosotros acercándonos hacia él. Las ondas que emite tienen una longitud de onda constante, pero al acercarnos, la frecuencia con la que nos llegan aumenta. Ahora intentaremos sacar una fórmula que relacione ambas frecuencias dependiendo de la velocidad con la que nos acerquemos (o alejemos):
Esta será la notación que usaremos en la entrada de hoy:
Como la longitud de onda no varía, igualaremos la longitud emitida con la percibida, y despejando obtendremos la ecuación encuadrada:
Cabe destacar que si el observador se aleja de la fuente, el signo "+" del numerador se transforma en un "-", por lo que la frecuencia al alejarnos de un sonido disminuirá y al acercarnos, aumentará.
B. Fuente en movimiento y observador en reposo
Si la fuente se aleja respecto a nosotros, cada pulso nos llega desde más lejos que el anterior, por lo que la longitud de onda aumentará de esta forma:
En el caso de que la fuente se acerque, la longitud de onda disminuiría, por tanto la frecuencia aumentaría y en el denominador de la fórmula encuadrada superior habría que poner un "-" en vez de un "+".
Fórmula General
Vamos a deducir una fórmula general en el caso de que tanto fuente como observador estén en movimiento.
Y como es lógico, combinándolas todas obtenemos la general:
El signo del numerador será "+" cuando el observador se acerque a la fuente, y "-" cuando se aleje. El signo del denominador será "-" cuando la fuente se acerque al observador y "+" cuando se aleje.
Hoy intentaré relacionar lo aprendido en las entradas de Radiación Beta y Radiación Alfa con el estudio de la antigüedad de rocas, fósiles...
Lo primero de todo es recordar que en la Naturaleza existen 4 fuerzas fundamentales: Gravitación, Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil. En esta tabla se recogen los datos más relevantes de estas fuerzas:
Los estudios sobre Gravitación se los debemos en primera instancia a Newton (Ley de la Gravitación Universal), y dos siglos después a Einstein (Teoría General de la Relatividad). Es una fuerza universal, que disminuye con la distancia, presente entre todas las partículas con masa, de carácter atractivo. Su partícula correspondiente, aún no confirmada experimentalmente, es el Gravitón. Es la fuerza más "débil", ya que un simple imán atrayendo un clip de metal supera la fuerza que la Tierra ejerce sobre ese clip, por ejemplo.
La unificación entre electricidad y magnetismo se lo debemos en gran medida al físico inglés Maxwell. Es una fuerza asociada a la carga, cuya partícula es el fotón (sin masa en reposo y por tanto su velocidad es la de la luz). Tiene un alcance universal, disminuye con la distancia, y puede ser tanto atractiva como repulsiva. Es la segunda fuerza más intensa después de la Nuclear Fuerte.
Ya en el siglo XX, gracias al estudio del núcleo atómico, consiguió estudiarse la interacción fuerte y la débil. La fuerte es la encargada de mantener a los protones y neutrones fijos en el núcleo atómico, aunque su alcance es ínfimo. La partícula correspondiente es el gluón (en inglés glue es pegamento), y es la más intensa de las 4.
Finalmente, la Fuerza Débil (sigue siendo muy intensa, que su nombre no nos engañe...) llamada así porque es menos intensa que la Fuerte, es la encargada del decaimiento beta tan imprescindible en la fusión nuclear de las estrellas. Cambia el sabor de los quarks constituyentes de los nucleones, y su partícula asociada son los bosones W y Z. Tiene un alcance aún menor que la anterior, debido a que los bosones W y Z tienen una vida muy corta, menor que la de los gluones.
La perfecta armonía de estas cuatro fuerzas hace posible la existencia del universo tal y como lo conocemos.
¿Alguna vez os habéis preguntado por qué no se repelen los protones de los núcleos atómicos?
La respuesta es que la fuerza nuclear fuerte actúa de enlace entre ellos, superando a la fuerza electrostática de repulsión. A medida que un átomo es más y más grande, y dado que la fuerza electromagnética tiene alcance infinito mientras que la nuclear fuerte es de corto alcance, el núcleo tiende a ser más y más inestable. Llega un momento en que la fuerza de repulsión supera con creces a la nuclear fuerte, y entonces el átomo se divide en otros dos más ligeros liberándose gran cantidad de energía y partículas alfa. Es el proceso de fisión nuclear.
Por otra parte, la interacción débil es la responsable de la radiación beta (tanto positiva como negativa). Tal y como vimos en la entrada correspondiente, que puedes visitar aquí, los neutrones y los protones están transformándose continuamente (los protones se transforman en neutrones y los neutrones en protones, quedando el átomo tal cual). El problema está en los isótopos con demasiados neutrones, donde este proceso no ocurre del mismo modo. En estos casos, hay una cierta probabilidad de que un neutrón decaiga en un protón, aumentando en uno el número atómico del elemento, sin que otro protón decaiga en neutrón. Cuanto más pesado sea el isótopo, más probable es este proceso.
Cuando ocurre esto, el bosón W-, encargado de cambiar el sabor del quark correspondiente para la transformación del protón en neutrón, se desintegra. En su desintegración se produce un electrón (conservando la carga) y un antineutrino (para conservar parte de la energía en energía cinética). Puede ocurrir que halla demasiados pocos neutrones y que un protón decaiga en un neutrón. En este caso se liberaría un bosón W+, que decae en un positrón (antipartícula correspondiente al electrón) y un neutrino.
En neutrón (n) decae en un protón (p), un electrón (e) y un antineutrino (v)
¿Qué tiene que ver todo esto con la datación en rocas y seres vivos?
En las rocas, como en los seres vivos, hay isótopos radiactivos que nos pueden ayudar a datar la edad de una roca o un fósil. Hay tres mecanismos dependiendo de los isótopos implicados en el proceso de datación:
Ocurre cuando un elemento aumenta el número de protones de su núcleo. Un ejemplo es el Carbono 14, que decae en Nitrógeno 14 (con un protón más y un neutrón menos). En el proceso se liberan electrones del núcleo en forma de radiación y también antineutrinos. El tiempo que tarda la mitad de una muestra en desintegrarse son 5570 años, tiempo que se llama vida media. Estudiando la relación entre átomos de carbono y de nitrógeno podemos saber la edad del fósil. Es útil en restos de seres vivos. Los seres vivos intercambian Carbono 14 con el medio ambiente hasta que mueren. A partir de ese momento éste se va desintegrando en Nitrógeno 14, proceso que utilizamos para datarlo.
Un elemento disminuye su número atómico. El Potasio 40 decae en Argón 40, ya que uno de sus protones decae en un neutrón. Se libera en el proceso un positrón y un neutrino. Es el método más usado, y la desintegración de la mitad de una muestra tarda 1.300 millones de años.
Es usada en átomos más grandes, como el Uranio, y es el método más preciso. Debido al corto alcance de la fuerza Fuerte, el átomo de Uranio 235 se rompe y se forma el átomo de Plomo 207, liberándose en el proceso partículas alfa (núcleos de helio) y energía, mucha energía. Por esta razón son frecuentes los depósitos de helio cerca de las minas de uranio.
Fósil datado por las técnicas antes mencionadas
Y hasta aquí la entrada de hoy. Si os ha gustado, dejad un comentario y compartid a quienes creáis que les pueda gustar. Un saludo y hasta la próxima.
Hará cosa de mes y medio, en la entrada "Radiación beta", definíamos esta como aquella en forma de radiación donde un núcleo atómico emitía electrones y antineutrinos, o también positrones y neutrinos. Esto se debía a la interacción débil, que hacía decaer generalmente un neutrón en un protón. Recomiendo visitar la entrada sobre datación radioactiva, donde hablo de radiación beta y alfa.
Hoy hablaremos de la Radiación Alfa. Sabemos que en los núcleos de los átomos hay protones y neutrones. ¿Cómo es posible que estos no se repelan aunque sean de la misma carga? La respuesta la encontramos en la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a esos nucleones en el núcleo. Gracias a que es más fuerte que la electromagnética, los núcleos están fuertemente cohesionados. Sin la existencia de dicha interacción, el Universo sería una sopa de protones, neutrones, electrones, radiación y demás partículas.
Un dato importante es que esta fuerza tiene un alcance muy corto. Debido a esto, llega un momento en el que el valor de la fuerza se hace 0. Su rango de acción es algo mayor a una trillonésima de metro. Para imaginar esto, os diré que si un metro fuese la distancia entre la Tierra y el Sol, el rango de acción de esta fuerza tendría la longitud de una bacteria...casi nada.
Imaginemos por un momento un átomo de Uranio-238. Su núcleo está constituído por 92 protones y 146 neutrones. Cuanto más grande y pesado es un núcleo, menos estable será, porque las fuerzas electrostáticas de repulsión entre los protones crecerá. Debido a esto, el Uranio-238 tenderá a perder cargas nucleares en forma de partículas alfa. Las partículas alfa son agrupaciones de dos neutrones y dos protones, como si de un núcleo de helio se tratase.
Así, ese isótopo de Uranio decaerá en un átomo de Thorio (90 protones y 90 electrones), en una partícula alfa (2 protones y dos neutrones) y en los dos electrones que quedan. Finalmente, estos dos electrones se asocian a la partícula alfa formando un átomo de helio. Esta es la razón por la que en los depósitos de minerales radiactivos es frecuente la presencia de bolsas de helio.
Otra forma de entender esta radiación se basa en el efecto túnel de la mecánica cuántica, donde esa partícula alfa supera esa barrera de potencial "escapándose" del núcleo.
Debido al enorme tamaño de estas partículas, su masa y su carga, pueden ser detenidas por una simple hoja de papel, y no son capaces de atravesar la piel humana aunque su velocidad media sea de 15.000 km/s.
En entradas anteriores hemos visto cómo se dilata el tiempo (léelo aquí) y como se contrae el espacio (léeloaquí). Al igual que estas magnitudes, la masa no es una constante universal para cualquier sistema de referencia. Dicho bien, lo que ocurre es que el momento lineal de una partícula con masa a grandes velocidades, es proporcional al inverso del factor ß que habíamos visto en entradas anteriores, es decir, que el aumento del momento dependiendo de la velocidad no es una recta, si no que se curva tendiendo a infinito cuando la velocidad iguala a la de la luz. Para la mecánica newtoniana esto no era así, y la masa era constante. De este modo definíamos momento lineal o cantidad de movimiento como el producto de la masa por la velocidad. En los choques elásticos, el momento se conservaba.
Vamos a hacer un experimento mental para entender por qué aumenta la masa:
Juan y María se mueven por el espacio en sentido contrario y de forma paralela, a una velocidad constante y próxima a la de la luz, tal como vemos en la imagen inferior.
Como son movimientos a velocidad constante, cada uno estará parado "para él mismo", y verá solo moverse al otro. Es como cuando vamos en coche y pasa al lado nuestro otro vehículo en dirección contraria. En un momento dado, ambos lanzan hacia el otro una pelota, de tal modo que la velocidad de la bola medida por el que la lanza es la misma que la velocidad de la otra medida por el otro. Es decir, Juan lanza hacia María la pelota a 10 m/s (por ejemplo), y María se la lanza a Juan a la misma velocidad. Si observamos el experimento como si María fuese la observadora en reposo y el que se moviese fuera Juan (consideramos que la velocidad de Juan hacia María es un 87% de la de la luz), dado que el tiempo de Juan (y su bola) transcurre para María de forma más lenta, la velocidad horizontal de la bola que lanza Juan es menor. Si la bola llevase un reloj, para Juan el tiempo de su bola transcurriría "normal", pero para María ese tiempo iría más lento. Si Juan lanza la bola a 10 m/s, para María esa bola recorre 10 m cada 2 segundos, o lo que es lo mismo, 5 m/s (teniendo en cuenta la dilatación temporal).
Visto desde el sistema de referencia de Juan, ocurre lo mismo...son experimentos simétricos: Juan se nota a sí mismo quieto, y María es la que se mueve. Juan lanza la bola a 10 m/s y ve aproximarse la de María a 5 m/s.
Volvamos al sistema de referencia de María. Ella ha lanzado su pelota a 10 m/s contra la de Juan a 5 m/s. Dado que en ese choque se conserva el momento lineal (p = m·v) y como cada bola vuelve a las manos de su dueño después del choque (por lo que los momentos de cada bola son iguales) y además su velocidad horizontal es diferente (siendo la pelota de Juan más lenta), su masa debe ser mayor para conservar la igualdad.
Como Juan se mueve a un 87% de la velocidad de la luz con respecto a María, el tiempo de Juan visto desde el sistema de referencia de María transcurriría dos veces más lento: cada dos segundos de vida de María equivaldría a un segundo en la vida de Juan. Debido a esto, el sistema de Juan (él, su reloj, su bola...) van más lento. Como al lanzar la bola horizontalmente va mas lento (menos velocidad) para chocar y acabar desplazándose lo mismo que la de María, debe tener dos veces más masa.
Podemos imaginar que choca una bola de bolos con una canica. Si van igual de rápido, al chocar, la canica retrocederá más. Esto se debe a que la de bolos es más pesada, y su momento p es mayor. En nuestro experimento retroceden ambas igual, y como una de ellas se mueve la mitad de rápido...para equilibrar la ecuación su masa deberá ser el doble. En la imagen inferior podemos ver la conservación del momento teniendo en cuenta solo las velocidades verticales.
Es decir, que si una persona de 80 Kg se pone a correr, su masa a esa velocidad aumentaría hasta los 80,00000000000001 Kg.
La ecuación que relaciona la masa en reposo (mo) con la masa (m) a una velocidad v es:
Si la velocidad v tiende a c, la masa m tiende a infinito...y como la fuerza necesaria para mover esa masa infinita también sería igual a infinito, la energía sería lógicamente INFINITA.
Por consiguiente, para conseguir que una partícula con masa alcance la velocidad de la luz, es necesario un aporte infinito de energía, por eso una partícula con masa no puede sobrepasar ni alcanzar c. Una partícula con masa nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz para ningún sistema de referencia, y la luz no puede reducir su velocidad para ningún otro.
En el siguiente video podremos ver otro modo de entender por qué no es posible superar la velocidad de la luz, además de otras nociones curiosas que os recomiendo ver sobre Relatividad:
Como la hipotenusa de un triángulo rectángulo es siempre mayor (o igual) que cualquiera de los catetos, la máxima velocidad permitida para una partícula es la velocidad de la luz, siempre que la partícula no tenga masa, como el fotón. Si tuviese masa, nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz.
Este aumento de masa se puede observar en aceleradores de partículas: las colisiones entre dos protones generan muchos tipos de partículas. Si sumamos las masas de esas partículas, observamos que se supera las masas de los dos protones. Si tenemos en cuenta el aumento de la masa a las velocidades a las que chocan, los resultados cuadran.
En desintegraciones de núcleos pesados, la masa de los productos es menor a la del núcleo del que proceden. Teniendo en cuenta la energía emitida y la relación que hay entre esa energía y la masa (la famosa ecuación E = mc2), los resultados vuelven a cuadrar.
Esta serie de Relatividad Especial va llegando a su fin...en la siguiente entrada trataré la famosa "Paradoja de los Gemelos".
Te encuentras en el espacio, y sabes que te mueves pero no sabes ni hacia dónde ni a qué velocidad. Pero tienes una linterna y un aparato que mide la velocidad de la luz. Como sabes, la velocidad de la luz en el vacío (de ahora en adelante, c) es de 300.000 km/s. Si quieres saber cómo de rápido te mueves, puedes hacer lo siguiente: imagina que tu velocidad es de 100.000 km/s, pero tú no lo sabes. Entonces apuntas con la linterna hacia delante y mides que la luz viaja a 400.000 km/s, y hacia atrás a 200.000 km/s.
Eso intentaron hacer los físicos Milchelson y Morley en el año 1887: medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones sobre la superficie terrestre para saber a qué velocidad y hacia dónde se movía la Tierra. Para su sorpresa, siempre que medían la velocidad obtenían el mismo valor: 300.000 km/s. Una de dos, o la Tierra estaba quieta (algo que ya se sabía que no era cierto), o quec era constante.
Morley (izquierda) y Milchelson (derecha)
Años más tarde, Albert Einstein presentó su famosa Teoría de la Relatividad. Uno de los dos postulados clave en su teoría fue: la luz siempre se propaga en el vacío con una velocidad constante c que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor y del estado de movimiento del observador.
Ese postulado es uno de los más importantes en física teórica, aunque a primera vista no parezca gran cosa. El darnos cuenta de que la velocidad de la luz sea una constante ha hecho avanzar nuestro conocimiento de manera exponencial. Sin él, no tendríamos la tecnología que tenemos hoy en día, y el mundo tal y como lo conocemos sería muy diferente.
A partir de la invariabilidad de c, y mediante una serie de experimentos mentales para entender razonamientos tan ilógicos, hemos conseguido demostrar cosas increíbles. Una de ellas es que ni el espacio ni el tiempo son absolutos, sino que juntos forman el espacio-tiempo, cuya curvatura viene dada, entre otras cosas como el campo gravitatorio, por nuestra velocidad.
¿Te puedes creer que si viajásemos por el espacio a velocidades muy cercanas a la de la luz, y luego regresásemos a casa, nuestros seres queridos habrían envejecido muchos años o incluso habrían muerto? ¿Y si te digo que las longitudes se contraen a grandes velocidades? ¿O que una bola de 1 kg puede llegar a pesar miles de toneladas por el simple hecho de moverse muy rápido?
En las próximas entradas intentaré hablar de las consecuencias más interesantes de la Teoría de la Relatividad de Einstein, tales como la dilatación temporal, la contracción espacial o el aumento de la masa. También expondré una serie de paradojas, ilógicas aparentemente, pero consecuencias necesarias de los sencillos postulados de Einstein. Al final de esta serie, espero que tanto vosotros como yo hayamos aprendido y comprendido uno de los grandes logros de la física moderna. Nos vemos en la siguiente entrada con "La dilatación del Tiempo"(que puedes leer aquí).
"Lo más incomprensible del Universo, es que sea comprensible"
Albert Einstein
¿Por qué se suele decir que lo radiactivo brilla? Descúbrelo:
Sabemos que ninguna partícula masiva puede alcanzar, y menos superar, la velocidad de la luz en el vacío. Mientras un cuerpo se mueve a velocidades relativamente pequeñas, podemos calcular su energía mediante la mecánica Newtoniana. Pero técnicamente, cuando una partícula o un cuerpo con masa en reposo m se desplaza con una velocidad v,su masa m' se obtendría de la fórmula m'=m/ß, siendo ß un factor numérico que aumenta en función de la proxímidad a la velocidad de la luz. La masa de una persona de 75 kg en reposo es de 75 kg, pero al caminar, los efectos de la relatividad hacen que esa persona pese 75,00000000001458 Kg. ¡Y LUEGO DICEN QUE CORRER ADELGAZA...!
A bajas velocidades esto no se percibe, pero a medida que nos aproximamos a c (velocidad de la luz en el vacío), su masa tiende a infinito y con ello la fuerza necesaria para acelerarla más y más. Para conseguir mover esa partícula a la velocidad de la luz, necesitaríamos energía infinita. A grandes velocidades necesitaríamos usar la mecánica de Einstein.
Ahora bien, en una entrada de hace unos días (donde hablé sobre ¿por qué el cielo es azul?) expliqué lo que era la refracción y el índice de refracción de la luz en medios transparentes. Si te interesa, échale un vistazo dando clic aquí. Básicamente, la luz cambia de velocidad al pasar de unos medios trnsparentes a otros, debido a las propiedades electromagnéticas de ese medio que frenan a los fotones constituyentes de la luz. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, un rayo de luz reduce su velocidad refractándose, como ocurre en el arcoiris o al introducir un lapicero en un vaso con agua.
Imaginemos que tenemos una partícula que se desplaza a una velocidad de 250.000 km/s en el agua, mientras que la luz en el agua se desplaza a 225.000 km/s. Esta hipotética partícula se movería más rápido que la luz, pero solo en ese medio. En ningún momento se contradicen las leyes de Einstein, que impiden que la partícula alcance la velocidad de la luz en el vacío. La partícula no supera c, aunque en ese medio en concreto supere en velocidad a los fotones (debido, como ya dije, a la naturaleza electrostática de los átomos de ese medio).
¿Has oído hablar alguna vez de aviones supersónicos?
Avión supersónico superando la 'Barrera del Sonido'
Cuando un avión de este estilo se desplaza, crea una zona de aire a mayor presión delante suyo (debido a que lo "comprime") y una zona de baja presión tras de sí. Así se generan "ondas de presión". Cuando el avión supera la velocidad del sonido, esas ondas no tienen tiempo de alejarse antes de que la siguiente se produzca, produciéndose una onda de mayor intensidad (típico estruendo al oir a un avión superar la barrera del sonido). Conoce más en el Efecto Doppler.
Algo semejante ocurre con las ondas electromagnéticas. Veamos exactamente qué:
Supongamos que un electrón (carga negativa) se desplaza por un medio no conductor, como el agua destilada, a 250.000 km/s. la luz en ese medio lo hace a 225.000 km/s. Una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) genera un campo magnético, debido a su propio movimiento y al movimiento de los electrones de las cortezas atómicas por repulsión. La partícula "constituyente" del campo magnético es el fotón. Como el fotón en ese medio se desplaza más lentamente que el electrón, ocurre igual que con el sonido (en este caso el avión sería el electrón).
Dado que los fotones no tienen tiempo de alejarse antes de que se acumulen fotones nuevos, se crean ondas que podemos detectar. Para ello, como he dicho, debe de ocurrir en un medio no conductor.
Esta radiación de Cherenkov suele ser ultravioleta, aunque si es suficientemente fuerte podemos percibirla con la longitud de onda del azul. Pero, ¿para qué sirve todo esto?
Esta radiación tiene múltiples usos prácticos, como la detección de astropartículas cargadas provenientes del espacio, la detección de partículas subatómicas en colisionadores de partículas o incluso medir la radiación en las centrales nucleares como en la imagen inferior:
Brillo azulado debido a la radiación de Cherenkov
La intensidad de esa radiación está relacionada con los procesos de fisión nuclear: a más rendimiento, más "brilla". Ese brillo no es propio de los elementos radiactivos como solemos oír, si no de la radiación de Cherenkov.
Ahora que sabes un poco más, comenta y comparte esta entrada.
Un saludo! Hasta otra amigos!
Después de mucho pensar, he decidido hablar hoy sobre las auroras, tanto boreales como australes. Antes de empezar con semejante fenómeno, recordemos algunos conceptos que nos serán de utilidad.
1. Campo magnético terrestre.
Al usar una brújula, podemos saber dónde está el Norte y el Sur. Esto se debe a que la Tierra funciona como un gigantesco imán, pero...¿por qué?
En el interior de nuestro planeta, entre los 3000 y los 5000 km aproximadamente, encontramos el núcleo externo, formado por metales pesados como hierro (Fe) o níquel (Ni). Las altas temperaturas hacen que estos metales se encuentren fundidos.
Además, estos flujos que están en movimiento, crean el llamado Efecto Dinamo (como cuando giramos la manivela de las linternas recargables, generamos energía eléctrica a partir de un campo magnético producido por una dinamo). Ese movimiento es lo que se cree hoy en día que produce el campo magnético terrestre. Sin él, como luego veremos, no habría vida en nuestro planeta.
La Magnetosfera actúa como escudo ante los rayos cósmicos dañinos que proceden del Sol. Tiene un grosor de 60.000 Km en la dirección Tierra-Sol, y de 300.000 Km en sentido contrario, como vemos en la imagen inferior:
Sin la presencia de esta capa de protección, los rayos cósmicos más energéticos destruirían la atmósfera y con ella toda la vida en la Tierra. La vida en la Tierra se debe a la Magnetosfera, sin ella la vida tal y como la conocemos no sería posible.
2. Ionización y plasma.
Cuando excitamos a un átomo con una determinada energía, los electrones de su corteza "suben de nivel". Este proceso necesita energía. En cambio, cuando un electrón baja de nivel, desprende energía. La energía absorbida o desprendida es la diferencia de energías entre las capas inicial y final. Se desprende y absorbe en forma de onda electromagnética (infrarrojos, microondas, ultravioleta, rayos X, gamma...). En esta entrada nos centraremos en la parte del espectro de la luz visible, lo que provoca las auroras. Volviendo al tema de la llamada ionización de un átomo, esta se consigue al suministrar energía para que sus electrones consigan arrancarse del núcleo, como vemos en esta representación:
Electrón absorbe fotón: el átomo se ioniza (positivamente).
Pero hay un problema: el átomo tiende a estar en su estado de mínima energía, es decir, no ionizado. Si dejamos de suministrar energía, el átomo vuelve a su estado fundamental desprendiendo la energía que habíamos suministrado para ionizarlo. Es por eso por lo que es necesario el aporte continuo de energía para poder conseguir ese cuarto estado de la materia: el plasma. El plasma no es más que aquel estado de agregación posterior al gas, donde los electrones se separan de los núcleos por el aporte continuo de energía. Cuando este cesa, el plasma se disgrega.
En la imagen vemos el desprendimiento de energía al descender de órbita el electrón:
Se emite un fotón, igual al de la foto anterior.
Este proceso lo estamos viendo constantemente. Un claro ejemplo es un mechero: el fuego no es más que plasma. Los átomos del aire absorben la energía que desprende la reacción de combustión del gas del mechero, ionizándose. Al volver a su estado fundamental, emiten esa diferencia de energía en forma de luz visible, y esa es la razón por la que existe el fuego. También en las luces de Neón ocurre algo similar, donde la ionización se realiza mediante una corriente eléctrica. Por si aún hay dudas, en este breve vídeo se explica bastante bien el concepto:
En la entrada sobre la expansión del Universo también hablábamos de cómo se relacionan las emisiones de cada elemento con el Efecto Doppler y como Hubble descubrió que el universo se expandía.
3. Auroras
Bien, con todo lo que ya sabemos ha llegado el momento de explicar cómo ocurren las auroras. Partículas cargadas procedentes del Sol son atrapadas por nuestra ionosfera. Al reaccionar con los rayos ionizantes también procedentes del Sol, estas partículas se ionizan, y como hemos visto antes, emiten luz. Así son las auroras, son emisiones de luz de un plasma formado por partículas provenientes del Sol o de nuestra propia atmósfera, que pierden electrones y al ganarlos emiten esos bellos colores.
Por ejemplo, el oxígeno emite el color verde, el nitrógeno el azul o rojo...(hablamos de las emisiones de ondas de la franja visible. A parte de colores, emiten ondas que no somos capaces de ver con nuestros ojos).
Aurora boreal
Aurora austral
Ya sabemos cómo se producen las auroras, ¿no? Pero aún falta algo más...
¿Por qué solo hay en los polos?
Para responder a esta pregunta, observemos cómo se comportan las ralladuras de hierro frente a un imán:
Ralladuras de hierro con un imán
Podemos observar las líneas de campo que se forman, y vemos que estas son más densas cerca de los polos, y a medida que nos alejamos de ellos hay menos virutas de hierro.
Supongamos ahora que las virutas de hierro son ahora las partículas cargadas de las que hablamos antes. Estas se concentrarán en los polos norte y sur magnético de la Tierra. Esta es la explicación de por qué las auroras se localizan en los polos. Llamamos auroras boreales a las del polo Norte (Sur magnético) y auroras australes a las del polo Sur (Norte magnético). Os dejo un pequeño vídeo sobre una preciosa aurora boreal en Noruega:
Espero sinceramente que os haya parecido interesante esta entrada. Compartidla para difundir algo de saber sobre un tema como tal, y comentad con dudas, sugerencias...
Un acelerador de Partículas es una máquina capaz de hacer mover partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Esto se consigue de diversas maneras, pero la más usual es mediante atracción y repulsión electrostática. Hay diversos tipos de aceleradores: los hay circulares, como el del CERN en Ginebra; y los hay lineales, como el que visité el verano pasado y dónde pasé una semana, del que voy a hablar.
¿Dónde se encuentra?
El acelerador se encuentra en Madrid, en la Universidad Autónoma. Pertenece al Centro de Microanálisis de Materiales. Se halla en un enorme edificio, con muros de hormigón de más de 1m de espesor, protegiendo la zona de cualquier peligro. Aquí podéis conocer más sobre este acelerador: Acelerador de Iones del CMAM.
¿Para qué sirve?
Su finalidad es el análisis de obras de arte, síntesis de nuevos materiales e investigación científica. En el caso de los circulares, su uso fundamental es el de colisionar partículas para conocer de qué está hecho todo. Gracias a ellos, en 2013 se demostró empíricamente la existencia del Campo de Higgs, postulado por Peter Higgs 50 años atrás. Otras veces para observar cómo fue el Universo en sus inicios. En posteriores entradas hablaré de este tema. En el de Madrid, el objetivo es bombardear con una haz de iones un material. Los iones se aceleran y dirigen hacia la muestra, y dependiendo de la intensidad de rebote, estaremos tratando con unos elementos u otros. Esta técnica, llamada RBS, es la más común.
Funcionamiento
Esquema de un acelerador lineal tipo tándem
El proceso comienza en la parte de la izquierda. Podemos observar dos fuentes de partículas, una para gases y otra para sólidos. Mediante distintas técnicas, arrancamos esas partículas y las ionizamos, es decir, las cargamos positiva o negativamente para poder atraerlas hacia la muestra.
Una vez ionizadas (normalmente se usa Cesio), mediante el uso de campos magnéticos, atraemos el haz de iones hacia la parte azul del dibujo. Aquí se ven atraídas por un voltaje de 5 millones de voltios hacia el centro del tanque. Una vez allí, mediante el uso de Nitrógeno, las cargamos positivamente, por lo que la fuerza que antes las atrajo, ahora las repele. De esta manera conseguimos acelerar nuestro haz a una velocidad de, aproximadamente, 10.000 km/s. Una vez que el haz sale de la zona pintada de rojo, lo desviamos mediante electroimanes de 4 polos y concentramos todas las partículas en un haz de una superficie como la de una moneda de 1 céntimo. Dirigimos el haz a la muestra, y mediante detectores conseguimos saber la relación en masas de las partículas que rebotan y las de la muestra. Así podemos saber de qué está hecho aquello que hemos bombardeado.
Tanque del acelerador
Una de las vías donde se depositan muestras para su análisis
En el interior del acelerador hay anillos, donde se aplica el voltaje deseado. Debido a esa gran cantidad de energía, es necesario ocupar el espacio entre esos anillos con un gas muy denso, a una presión de 7 atmósferas para evitar descargas eléctricas. El coste de mantener el acelerador funcionando 1 día es de más de 2000 €.
Análisis
Todos estos datos son llevados a un potente ordenador, aquí se grafican las energías de todos esos choques y rebotes. Son los llamados espectros.
Pero aquí no acaba todo, ya que ahora viene la parte más difícil de todas: mediante distintos programas informáticos, hacemos una gráfica 'teórica' del espectro. En ese programa introducimos las sustancias que hemos usado de muestra, con sus porcentajes en masa de cada elemento. El programa simula lo que debería haber salido experimentalmente:
Construcción de un espectro
Los puntitos negros son los rebotes experimentales. La línea roja, lo que teóricamente debería haber salido.
El proceso de análisis de gráficas pude llevar horas y horas. Pude ser que algún elemento se haya oxidado, y salgan líneas en la gráfica que no deberían estar.
Finalmente, cuando la línea teórica coincide con la real, podemos afirmar que hemos acabado nuestro trabajo.
Conclusión
El trabajo en un acelerador es muy variado. En el ejemplo de los lineales, se analizan muestras haciendo rebotar partículas en ellas. Con esos rebotes construimos una gráfica. Si la teórica coincide con la experimental, ya sabemos de qué está hacha nuestra muestra. Si no coincide, debemos modificar valores para ajustarla, ya que pueden haber reaccionado elementos, puede haber impurezas...
Durante esa semana que estuve en el acelerador, te acabas dando cuenta que ser científico no es estar en un laboratorio mezclando cosas, sino que es un trabajo laborioso, metódico y difícil. Trabajar como científico es duro, pero cuando consigues algo te das cuenta de que ese duro trabajo ha merecido la pena
Si te ha interesado el tema, en este enlace podrás ver un esquema del funcionamiento del acelerador, hecho por unos amigos y yo en el siguiente enlace: Prezi.
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