Radiación de Cherenkov

¿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.

Para saber más sobre esto, visita la serie de relatividad especial y la entrada E=mc2.

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!

¿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!