IDEAS DE LA FISICA MODERNA

FISICA Curiosidades de la física: a) Cuando se estudiaba el espectro luminoso de una fuente de luz, se vio que aparecían unas franjas oscuras. Estas franjas eran los materiales que habían en la fuente de luz. Por eso, se sabe los elementos y compuestos de cualquier fuente de luz. b) Según la famosa ecuación E=mc2 y dado que c es constante (la velocidad de la luz), conforme aumentamos la velocidad de un cuerpo, éste tiene más energía cinética y por lo tanto tiene que tener más masa (no más volumen). Es imposible llevarlo a la velocidad de la luz, ya que haría falta una energía infinita para acelerar esa masa cada vez más gigantesca. c) Estudiando el espectro luminoso y midiendo la temperatura de los distintos colores, se dieron cuenta que los termómetros que estaban alineados fuera del espectro (de reserva), también aumentaban de temperatura. Eso significaba que había radiación invisible a nuestro ojo. Contra más corta era la onda, más energía tenía, llegando a los rayos gamma, que son capaces de atravesar nuestros tejidos lastimándonos (también los rayos X, pero menos). d) La creación de los elementos: un instante después del big bang, la temperatura del Universo era de un quintillón de grados, en un segundo bajó a la temperatura en que se crean las partículas elementales: protones y neutrones. 3 minutos después la temperatura bajó hasta los 1.000 millones de grados, se crearon los electrones y continuaron creándose protones y neutrones. Al mismo tiempo, se crearon las antipartículas, que al chocar con las partículas, crearon los fotones y la radiación electromagnética. En este tiempo y hasta los 20 minutos, se produjeron reacciones nucleares de fusión del hidrógeno (1 protón) en helio (2 protones) y un poco de litio (3 protones). Después de los 20 minutos, el Universo estaba demasiado “frio” para que se produjera fusiones en medio del espacio. Desde esos 20 minutos hasta 300.000 años después, sólo existió plasma: un gas sin electrones y con carga positiva. A partir de los 300.000 años, el universo se enfrió lo suficiente para que los electrones pudiesen ser capturados por los núcleos atómicos. Se formaron así los primeros átomos con carga eléctrica neutra, permitiendo que los fotones pudieran viajar por el espacio sin ser absorbidos por ningún otro átomo (“se hizo la luz”). El hidrógeno y el helio empiezan a acumularse en grandes nubes que se ven atraídas por su propia fuera gravitatoria y generando tanto calor en su núcleo que se inflama, creando las estrellas. En su núcleo vuelve a darse las condiciones necesarias para producir fusiones de núcleos atómicos y creándose helio a partir del hidrógeno primero y después elementos más pesados, hasta llegar al níquel (28 protones). Esto sólo ocurre con las estrellas gigantes (las otras sólo llegan al litio). Al llegar aquí, la fuerza de gravedad hunde a la estrella, que no tiene suficiente fuerza para contrarrestarla, ya que el proceso de creación del níquel necesita más energía de la que crea. Esto hace que se den unas presiones tales que se crean el resto de los elementos pesados de la Tabla, en un espacio muy corto de tiempo, antes de que la estrella explote en una supernova y expanda todo su material de nueva creación por el universo. e) El universo está en expansión. La mayor parte de las galaxias (excepto las que forman nuestro Grupo Local, conjunto de 54 galáxias), se nos están alejando, porque el espacio que existe entre ellas y nosotros, se está ensanchando. f) Cuanto más rápido viaja una persona, más lento pasa el tiempo para los que no viajan. Viajando a velocidades cercanas a la luz, un viajero vería que la vida en la Tierra transcurre a cámara super-rápida. Desde el punto de vista del viajero, su tiempo pasará igual. A la velocidad de la luz, el tiempo se para 1º) Tª de la relatividad. La gravedad: ¿Que es esa “fuerza” de la gravedad? ¿Qué es eso invisible que atrae a la materia?. Todo el espacio se comporta como algo material que se ondula cuando hay cerca materia o energía. La materia no son sólo las estrellas, también el espacio interactúa con ellas y así, doblan el espacio alrededor de ellas y los planetas “caen” hacia ellas. Los que ahora existen, no han caído porque están en una distancia tal, que su fuerza centrífuga compensa exactamente la inclinación de caída hacia su sol. Es como si estuviera en el margen de un embudo sin caer dentro, de forma indefinida por no haber rozamiento. Puede que la gravedad no sea una fuerza, sino que hay una interrelación entre materia y espacio que hace que se curve. Nosotros mismos estamos dentro de un embudo en que la tierra ha distorsionado el espacio alrededor y no podemos salir. Estamos atrapados por la “gravedad” de la tierra. Podemos desplazarnos de forma lateral, pero no “trepar” por las paredes, si no podemos ejercer suficiente fuerza. Es decir, podemos subir una montaña, pero no flotar y salir del embudo. En resumen: Todo el espacio es un enorme campo gravitacional, es materia y se curva o agita con la gravedad. 2º) La mecánica cuántica. El espacio subatómico Muy poco intuitiva. Se han descubierto ecuaciones que explican el comportamiento subatómico, probando, pero no se sabe que hay “debajo”. Es como la fórmula de las ecuaciones de segundo grado: el resultado es correcto, pero no sabemos (nosotros, los matemáticos si) porque el resultado es correcto. Parece que los electrones “aparecen” cuando hay “algo” con lo que interactuar y desaparecen cuando no hay nada. Son ondas (o al menos con las propiedades de las ondas) que están por todos los sitios donde pueden estar. Es el principio de superposición que colapsa (se materializa) en una realidad de todas las posibles en cuanto el electrón interactúa con algo y nosotros no podemos elegir en cual se va a materializar. Los fotones que hemos enviado para detectarlo han interaccionado con él y alterado el resultado del experimento. La idea es que cuando no hay luz que refleje una cosa o cuando no la tocamos o no la olemos o no la oímos, no esta: existe, porque las partículas están, pero la materia como tal no está. Las ecuaciones cuyo resultado comprobamos que son correctas, necesitan que la materia se comporte así. Hay una realidad física que nos parece sólida como una roca, pero en realidad, esta sólo existe cuando choca con alguna otra pieza de la realidad física. Es decir, la materia existe porque interactúa con nosotros y tendemos a ver siempre la misma realidad. Relacionado con la filosofía de Kant: todo es una invención de nuestro cerebro que “crea” lo que nuestros sentidos le “comunican” del exterior. Otra corriente interpreta que no existe colapso, sino que cada una de las posibilidades se da en un “universo paralelo” del que no somos conscientes. El problema es que en cada momento se producen innumerables divisiones y los universos paralelos se multiplicarían de forma alarmante. En resumen: Las partículas subatómicas (electrones, quarks, neutrinos…) se materializan cuando interactúan con algo. Cuando están tranquilas, no están. Son como ondas inmateriales que transmutan a partícula y viceversa continuamente (se “comprimen” en un punto cuando las miramos: partícula y se vuelven a “estirar” cuando no las miramos: onda) 3º) Las partículas. Su comportamiento Lo que se sabe actualmente: electrones, quarks, fotones, gluones, neutrinos, el bosón de Higss y alguna que otra partícula, vibran y fluctúan continuamente entre el existir y el no existir. Pululan en el espacio, incluso donde parece que no hay nada, se combinan entre si hasta el infinito. Cuando están a su aire, las partículas cuánticas se comportan como ondas que forman imágenes múltiples de si mismo, que se mueven simultáneamente a través de todos los caminos posibles en el espacio-tiempo. En cuanto detectamos una partícula, deja de estar en todos los sitios, para estar para siempre en ese sitio, en vez de volver a estar en todos los sitios otra vez. Parece que son partículas juguetonas, pero se sabe que actúan así. Siempre que haya algo ahí, puede transformarse en algo diferente, pero no puede desaparecer. La física cuántica permite que haya múltiples posibilidades simultáneamente y estas deberían continuar existiendo incluso después de detectarlas o interactuar con ellas, pero no lo hacen. Desaparecen todas las posibilidades menos una. No vemos ninguna de las demás a nuestro alrededor. Vivimos en un mundo clásico, donde todo está basado en las leyes cuánticas, pero nada se parece al mundo cuántico. ¿Qué ocurre?. Existen varias teorías: Las realidades posibles que no ocurren se desvanecen instantáneamente (colapso de la onda cuántica) Nuestra conciencia congela la realidad en un estado, realmente la crea (Kant). Todas las posibilidades existen, en universos paralelos e infinitos, solo que no somos conscientes de ello, están en otra parte. Por lo tanto, no se produce el “colapso de la onda cuántica”, el colapso del mundo cuántico en la realidad que sentimos. Resumen: La mecánica cuántica explica perfectamente nuestro mundo, pero es excesivamente retorcida. Las cosas son acontecimientos, no cosas en si, pululando continuamente, un continuo venir al mundo y desaparecer. Además no explica la materia oscura que se sabe que existe y no puede estar hecha de las partículas que conocemos (no interactúa con la luz). Es muy posible que la teoría esté incompleta, pero de momento, es todo lo que tenemos 4º) Tª de la Relatividad + Mecánica Cuántica: granos de espacio Tal y como están presentadas actualmente, ambas teorías son incompatibles. La Tª de la relatividad nos enseña que el espacio es como un gigantesco molusco móvil en el que estamos inmersos. La teoría de la “gravedad cuántica de bucles” intenta unificar ambas: El espacio está formado por “granos” mucho más pequeños que los núcleos atómicos. El espacio son ellos mismos y se crea por la interacción de cuantos individuales de gravedad. Además, ya no hay un espacio que contiene el mundo, ni un tiempo a lo largo del cual ocurren los acontecimientos. Solo hay procesos elementales, donde cuantos de espacio y materia interaccionan de continuo entre sí. La ilusión del espacio y el tiempo continuo a nuestro alrededor es la visión desenfocada de esta serie de procesos elementales. 5º) Nosotros Si en el mar inmenso de galaxias y estrellas no somos más que un garabato entre los infinitos que componen lo real, ¿De dónde viene esa sensación de existir de manera singular y en primera persona que experimentamos? ¿Qué son nuestras emociones, nuestros valores, nuestros sueños, nuestro propio saber? Las imágenes que nos construimos del universo, viven en nuestro interior, en el espacio de nuestros pensamientos. Entre esas imágenes y la realidad de la que formamos parte, existen innumerables filtros: nuestros sentidos, nuestra ignorancia o las propias condiciones que nuestra naturaleza de sujetos impone a la experiencia (por ejemplo, nuestro cerebro entiende que la materia es continua, según la vista y el tacto, pero en realidad es discontinua), pero nos “apañamos”. Esta comunicación, no es algo que nos diferencie del resto de la naturaleza. Las cosas del mundo, interactúan continuamente unas con otras. Es algo físico, pero la interpretación de ese vínculo es lo que a nosotros nos parece que nos hace especiales, pero no lo es. La naturaleza ha creado nuestras neuronas y esa es nuestra naturaleza, en una de las innumerables y variadísimas expresiones. Es una forma que ha adoptado la naturaleza en nuestro planeta. Y es muy pueril pensar que en este rincón periférico de una galaxia de los más normal, hay algo especial. Sólo es una muestra de lo que puede suceder en el Universo. 6º) La Materia Oscura ¿Por qué los planetas están en órbita alrededor del Sol y no caen hacía él? Porque su velocidad de órbita compensa la gravedad, de esa forma, la fuerza centrífuga contrarresta la de la gravedad y Mercurio orbita mucho más rápido que Urano, ya que está mucho más cerca. Toda la materia que no tiene este equilibrio, ya hace tiempo que se precipitó hacía el Sol o escapó del Sistema Solar. Ocurre que la velocidad a la que las estrellas, cada una dentro de su Galaxia, orbita alrededor del núcleo, es muy superior a la que debería ser para no salir proyectadas hacia el espacio exterior. Tiene que haber mucha más materia de la que vemos. Hasta cinco veces más. Y está alrededor de cada Galaxia, como un enorme halo, empujando hacia dentro. Esto se sabe porque su gravedad curva la luz, igual que la materia normal. Es un tipo de materia que no interactúa con la luz ni con nuestra materia, sólo sigue la regla de la gravedad 7º) La Energía Oscura Excepto los grupos locales de Galaxias, que están relativamente cerca unos de otros y la fuerza de gravedad “tira” con fuerza, las galaxias se están alejando una de otras y cada vez más rápido, pero no se están alejando ellas, sino que el espacio-tiempo que hay entre ellas es el que se está estirando y cada vez más. Esto contradice la lógica de la gravedad: si se estuviera alejando, debería ser cada vez menos. Además, se sabe que de los 13.800 Millones de años de nuestro Universo, fue a partir del 8.000 Millones, cuando comenzó a estirarse de forma acelerada. Hay una Energía Oscura, que desconocemos, que lo está haciendo. Puede ser que sea una fuerza proveniente del campo teórico cuántico inflaton, que fue el que provocó el Big Bang, que se ha reactivado. Es enorme y llena todo el Universo. Tiene que ser 15 veces más que toda la materia y energía que conocemos. 8º) Pensamientos que se derivan de la física cuántica Estamos condicionados para creer que el mundo exterior es el real y el interior es el imaginario, pero la física cuántica dice lo contrario: lo que pasa dentro crea lo que ocurre fuera. Hay una realidad física que nos parece sólida como una roca, pero en realidad, esta sólo existe cuando choca con alguna otra pieza de la realidad física. Es decir, la materia existe porque interactúa con nosotros y tendemos a ver siempre la misma realidad. Experimentos con escáneres del cerebro han demostrado que cuando vemos un objeto, se activan ciertas partes del cerebro y cuando cerramos los ojos e imaginamos ese objeto, se activan exactamente las mismas partes, entonces quien “ve”, ¿los ojos o el cerebro? Que es la realidad, lo que vemos con el cerebro o con los ojos. Para el cerebro no hay ninguna diferencia entre lo que ve en el entorno y lo que recuerda, ya que se activan las mismas redes neuronales. Recibimos mucha información del exterior, entra en el cuerpo a través de los sentidos y en cada paso la procesamos eliminando información, la vamos filtrando y al final lo que emerge en la conciencia es lo que más nos interesa personalmente. Vivimos en un mundo que solo vemos la punta del iceberg. Nuestros ojos son como una lente, pero la película la creamos en nuestro cerebro. Y solo crea aquello que puede, aquello que considera posible. Tenemos condicionantes y patrones que combinamos en nuestro cerebro, de tal forma que aquello que no consideramos posible, no lo “vemos”. Somos máquinas que creamos realidad. Percibimos las cosas después de verlas reflejadas en el espejo de nuestra memoria. Puede que todo sea una gran ilusión y no podamos salir de ella para ver lo que hay fuera. La materia es casi toda vacía y el espacio no es vacío: está lleno de partículas. Cuando no miras, hay una onda que ocupa todas las posibilidades y cuando miras hay una partícula en un solo sitio El mundo material que nos rodea no existe al margen nuestro, son posibles movimientos que nuestra conciencia escoge para que se manifieste la experiencia de lo real. 9º Tª de la relatividad y equivalencia entre Masa y Energía Según la célebre ecuación E = mc2, la energía cinética de un objeto material contribuirá a su masa (aumento de velocidad == aumento de masa). Al principio muy poco: al 10% de la velocidad de la luz, implica un aumento del 0,5% de la masa con respecto al reposo, mientras que al 90%, sería más del doble. A medida que el objeto se acerca a la velocidad de la luz, su masa aumenta muy rápidamente, de manera que continuar acelerándolo, es cada vez más difícil de modo que se necesitaría una energía infinita, ya que su masa también sería infinita. Cualquier objeto con masa está obligado a moverse a velocidades inferiores a la luz. Sólo las ondas sin masa pueden moverse a la velocidad de la luz. En las naves espaciales sólo hemos conseguido ir a un 0,01% de la luz Según la Tª de la Relatividad, el espacio y el tiempo no son inmutables, de hecho, cuando se acerca a la velocidad de la luz, el espacio alrededor se achica. Esto está comprobado por ejemplo por las partículas denominadas muones: se crean a 12,5 Km. De la Tierra al interactuar los rayos cósmicos emitidos por las supernovas con nuestra atmósfera. Su vida es muy breve, tanto que aún viajando a la velocidad de la luz, no deberían tener tiempo de llegar a la superficie de la Tierra. Pero llegan y aquí están. No tienen otra explicación que el espacio se les ha achatarrado y llegan antes de que se extingan Otra curiosidad es que según el número de átomos de que consta un ser humano, deberíamos pesar menos de 1 Kg. ¿De donde sale el resto de nuestra masa?. No hay otra explicación que de la energía cinética contenida dentro de los núcleos de los átomos: los quarks gira a velocidades cercanas a la luz dentro de los núcleos, contenidos por la fuerza nuclear fuerte. La suma de la masa de esa energía cinética ya cuadra con nuestro peso, porque según Einstein, la energía tiene masa y viceversa 10º La Tª del inflaton y el multiverso La fase de expansión exponencial que se cree tuvo lugar en la primera fracción de segundo del universo, es la responsable de la irregularidad en la distribución de la materia y por lo tanto de la formación de los cúmulos de galaxias y espacio vacío, debido a las fluctuaciones cuánticas iniciales. En esa fase el universo era un mundo cuántico y esas mismas leyes son las que han provocado la estructura del universo tal y como lo conocemos actualmente. Esta teoría ha superado todos los tests observacionales hasta el momento: origen de estructuras cósmicas, universo plano a grandes escalas, propiedades no evidentes del fondo cósmico de microondas, etc. Pero la dinámica de la inflación también se ve afectada por este comportamiento, por lo que en cada región del espacio primitivo, la inflación empezó y acabó en distintos momentos, generando “burbujas” diferentes e independientes, es decir, infinitos universos. 11º La antimateria Se sabe que cuando se crea una partícula, se crea su antipartícula también. ¿Pero donde está la antimateria que se debió crear en el big bang?. En el CERN estudian si una pequeña “desviación” en el origen hizo que la materia “ganará” a la antimateria o es que no y tiene que existir en alguna otra parte del Universo 12º) La partícula de Dios: el bosón de Higgs ES una partícula cuyo campo hace que las partículas sin masa, la tengan, haciendo que se cumpla la famosa ecuación E=MC2 13º) Porque el mundo macroscópico no es cuántico La explicación estándar es que los objetos macroscópicos sufren muchas interacciones con su entorno y de forma continua (la fuerza de la gravedad, la electromagnética, el calor, etc.) No se puede observar sus propiedades de forma aislada, y se dice que pierden la coherencia cuántica. Sin embargo, en el mundo de las partículas, se han hecho miles de experimentos y todos cuadran con la mecánica cuántica y eso hace muy difícil congeniar la física clásica con la cuántica. ¿Es que la gravedad no afecta a las partículas?. Hay dos opciones: El mundo de las partículas no está bien explicado por la mecánica cuántica. Falta “algo” para conseguir una teoría del “todo” Nuestro mundo es una invención de nuestro cerebro y realmente no es como lo vemos