miércoles, 28 de marzo de 2012

LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD: UNA VISIÓN EXTRAÑA DEL UNIVERSO VI


El LHC del CERN: 27 Km de túnel entre Francia y Suiza.

   Antes de iniciar el tema debo anunciar un hecho insólito en la ciencia actual, descubierto recientemente y a raíz de  los experimentos del superacelerador de partículas subatómicas del CERN, que podría poner en tela de juicio  la TEORÍA  DE LA RELATIVIDAD, como máxima conquista de la ciencia moderna: La velocidad superior a la de la luz que es capaz de desarrollar una partícula subatómica llamada NEUTRINO, aún no bien conocida y estudiada por el detector de neutrinos OPERA, del Laboratorio nacional GRAN SASSO de los Apeninos de Italia. Como ocurre muchas veces en la ciencia, se producen descubrimientos que el investigador/es no buscaba/an y que abren una nueva vía al conocimiento, incluso más interesante y fructífera que la inicialmente propuesta. Es el caso, por poner un ejemplo,  de la observación,  por parte de Alexander Fleming, de la inhibición del crecimiento de las colonias de bacterias (Staphylococcus Aureus) por el hongo Penicillium Notatum, cuando el hongo colonizó por un descuido la placa de Petri en la que Fleming las cultivaba. El incidente, relatado por el autor del experimento (cuyos apuntes manuscritos se guardan en la biblioteca del Museo Británico), llevó al descubrimiento del primer antibiótico conocido por la humanidad: La Penicilina.


Gijón a Fleming
Monumento a Sir Alexander Fleming (1955) en el Parque de Isabel la Católica (Gijón-Asturias).  Arquitecto: Luis Moya, Escultor del busto: Manuel Álvarez Laviada. El primer monumento en el mundo en memoria del científico escocés, inaugurado por su viuda.


Laboratorio de Gran Sasso.

Entrada al laboratorio.
 El fenómeno lumínico fue la gran fascinación de los físicos durante siglos de estudio de la luz, que culminaría con el efecto fotoeléctrico de Einstein (por el cual recibiría el premio Nobel de física),


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El efecto fotoeléctrico.
  apoyándose en la teoría de los cuanta de Planck, según la cual Einstein suponía que "La radiación electromagnetica está formada por paquetes de energía y dicha energía depende de la frecuencia de la luz", denominándose dichos paquetes de energía fotones. Pero la luz todavía sigue siendo un misterio en su naturaleza, y en ella coexisten dos teorías: La ondulatoria (que explica mejor los fenómenos ópticos) y la cuántica (que concibe el fenómeno lumínico como un flujo de partículas). Deberemos aceptar ambas naturalezas como válidas y complementarias: La luz se comporta en ocasiones como un chorro discreto de fotones y, la mayoría de las veces, como un tren de ondas. Esto es lo que hay por el momento para explicar la naturaleza de la luz.
 Para añadir más leña al fuego de la confusión aparece el Neutrino, una partícula subatómica, esquiva y casi carente de masa, que no interactúa con la materia y es el objeto de estudio desde hace años por el laboratorio Gran Sasso: Un depósito de 1300 Tm de agua extrapura, enterrado en una cripta bajo una montaña y que requiere estrictas normas de aislamiento y un elevado número de sensores para atrapar su presencia. Después se produciría el bombazo de la detección de neutrinos "superveloces" en el LHC del CERN, que viajan 6 Km/seg más rapido que la luz. James Gilles, portavoz del CERN, ha manifestado que espera que tal resultado sea debido a un error; de lo contrario, habría que hacer cambios profundos en la física y en la concepción del Universo y por ello se ha propuesto repetir el experimento en distintos laboratorios. Sea lo que sea, los cambios-creo-serán para sobresaliente cum laudem, como ocurrió con la teoría de la relatividad, que no ha invalidado totalmente  la física clásica en la vida cotidiana macroscópicamente mediopensionista, y tan lenta como la tortuga de Zenón de Elea. El tiempo lo dirá.
  Ahora podríamos preguntarnos con todo el derecho del mundo ¿Qué es un neutrino? y una definición concreta y sencilla sería: Un Neutrino es una partícula material elemental extremadamente ligera (posiblemente sin masa), que se ve afectada solamente por la fuerza nuclear débil y la gravedad. La fuerza nuclear débil es la responsable de la radioactividad y, para no extendernos innecesariamente, remito al interesado a la teoría de Weinberg-Salam.

Tomado de:uncronopiomas.blogspot.com.
Pero tenemos una ecuación que ya ha hecho historia: la equivalencia entre la masa (recordemos: la cantidad de materia) y la energía:
Según esta ecuación, la materia-cualquier materia-podría transformarse en una cantidad enorme de energía, cosa que no sucede en la vida real porque no toda la materia tiene la predisposición a tal destino: La mayoría de la materia se transforma en energía parcialmente y de forma pausada; como el leño que arde en el hogar de la chimenea, que se transforma en calor, luz, gases y cenizas, sin completar el paso directo de materia a energía. Nuestro propio cuerpo podría ser, en teoría, una bomba atómica si el metabolismo humano, animal y vegetal,  fuese capaz de tranformar la masa en energía directamente y no a través de complejas rutas metabólicas aerobias (en presencia de oxígeno) o anaerobias (en ausencia del citado elemento). Aún a riesgo de cometer un sacrilegio científico, diría que los organismos vivos somos como una central nuclear, que gestiona el paso de materia a energía de forma controlada, sin explosiones en el reactor. La materia inerte (por ejemplo, las ramas caídas en un bosque y la hojarasca) pueden provocar un incendio si se estimula con calor su punto de ignición, pero nunca explotarán. Aún así, no toda la materia es igualmente estable.
 LAS PARTÍCULAS RADIOACTIVAS.


  La primera verificación del aumento de la masa con la velocidad se la debemos a los experimentos de Kaufmann (1902-1906) y también a los de Bucherer (1909). Se sabía desde hacía tiempo que existían sustancias, como el Radio, que emitían tres tipos de partículas diferentes o rayos (véase la imagen superior), cuyas velocidades eran similares a la de la luz y que cuanto mayor era la velocidad de la partícula, mayor era su masa. Estaban trabajando con las radiaciones Beta, tratando de descubrir en qué consistían y midiendo la velocidad con la que cada partícula era emitida por las diferentes sustancia, así como su carga eléctrica y su masa.. Ahora, sin susto ni horror, deberemos echar un vistazo a la ecuación, ya conocida, del aumento de la masa con la velocidad:

Recordemos: m es la masa que aprecia el obsevador, que se mueve con velocidad relativa a m0 (la masa del objeto en reposo); v, la velocidad relativa entre ambos, y c, la velocidad de la luz.

 Y, sin susto ni horror, los investigadores citados se fiaron de la teoría especial de la relatividad, y supusieron que los diferentes valores obtenidos para la masa podrían deberse a las diferentes velocidades de emisión de las partículas por parte de las distintas sustancias radioactivas. Reemplazando m por el valor de la masa obtenido y v por la velocidad de la partícula, despejaron m0 (la masa de la partícula en reposo) y comprobaron que m0 era la misma para cada partícula, que además era idéntica a la masa del electrón al igual que su carga. Con esto quedó demostrado que los rayos Beta no eran más que electrones emitidos a altas velocidades por las sustancias radioactivas. Con ello quedó demostrada experimentalmente la validez de la ecuación de equivalencia entre la masa y la velocidad y FUE LA PRIMERA VERIFICACIÓN DE LA TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD.

   Un minuto para tomar café o suicidarse (no lo hagan); sólo un minuto y volvemos.



A esa velocidad relativista, la lengua de Nacha Guevara habrá aumentado de masa sustancialmente.


Niels Bohr, físico danés Premio Nobel de física en 1922.

Rutherford contaba una anécdota divertida que le ocurrió cuando un colega y amigo, profesor, le pidió consejo acerca de la actitud que debería tomar con respecto a un alumno que en un examen le contestó de manera poco ortodoxa. Rutherford le preguntó cual era la pregunta: ¿Cómo mediría usted la altura de un edificio con un barómetro?, y la respuesta del alumno: "Llévese usted el barómetro a la azotea del edificio y átelo con una cuerda bien larga; después suelte lentamente la cuerda por la fachada hasta llegar al suelo y, midiendo la cuerda, obtendrá la altura del edificio". El profesor, nada contento con la respuesta, le concedió más tiempo para que razonara la pregunta de una manera más científica y se la diera por escrito, sin obtener más que una hoja en blanco. ¿Por qué no ha escrito nada, preguntó el profeso?
- Porque se me ocurren varias respuestas y estuve pensando cual era la más adecuada.


Sir Ernest Rutherford, Premio Nobel de química en 1908.
El profesor escuchó varias respuestas tan chuscas y verdaderas como la primera, y también la que estaba esperando. El alumno justificó sus respuestas diciendo: "Mis profesores me han enseñado a pensar".
 Rutherford aconsejó a su amigo que le asignara la máxima nota.
 El alumno era Niels Bohr.

Pues bien, Bohr, en 1913, elaboró la primera teoría atómica según la cual el átomo estaba constituído por un núcleo central con electrones girando en círculo alrededor. Posteriormente Sommerfeld, en 1916, modificó el esquema de Bohr adoptando un esquema elíptico, en el que los electrones giraban en órbitas alrededor del núcleo formando elipses y éste ocupaba uno de los focos de la elipse; el mismo modelo que describió Kepler para la dinámica de los planetas alrededor del Sol.

Johannes Kepler.

Leyes de Kepler.


 La Segunda Ley de Kepler (1609)  nos dice que cuando un planeta gira con una órbita elíptica alrededor del Sol (caso de la Tierra), la linea imaginaria que los une (el Rayo Vector: en el esquema superior serían P1-P2-P3 y P4) describe en el espacio Áreas iguales en tiempos iguales con un arco de diferente longitud (P1-P2 es mayor que P3-P4 y las áreas-en color rosa-A1 y A2 son idénticas) . Ahora daremos nombres al área A1 y al área A2 en el caso del movimiento de la Tierra alrededor del Sol: A1 (la Tierra está más cerca del Sol): PERIHELIO; A2 (la Tierra está más alejada del Sol): AFELIO. Pues resulta que, por la elemental ecuación de la física escolar y por lo anteriormente dicho, si la VELOCIDAD = ESPACIO/TIEMPO, y la Tierra recorre el Perihelio en el mismo tiempo que el Afelio, habrá de modificar su velocidad de manera que la velocidad de rotación alrededor del Sol será máxima en el Perihelio y mínima en el Afelio. A este hecho se debe la distinta duración de las estaciones, como ocurre en Marte. Concretamente, la variación de la velocidad de la Tierra en su ciclo alrededor del Sol está entre 29,7 y 30,6 Km/seg porque la órbita de la Tierra es casi circular. Con esta variación de velocidad que experimenta la Tierra a través del año (y todo lo que hay en Élla) aumentará la masa en el Perihelio y disminuirá en el Afelio (yo personalmente me siento más pesado en el Perihelio, pero seguramente es una sensación mía) aunque la variación es imperceptible.
 Creo que por hoy debermos dejar el tema, no sin antes enlazar a una página web que habla de los experimentos del CERN, y es muy interesante


 Gracias por su atención y por su paciencia, si aún no se han suicidado.