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¿Por qué las partículas no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo?

Quantum-Gravity

por Julio García.

Existe un principio de exclusión en la mecánica cuántica que afirma que es imposible que dos electrones en un átomo puedan tener la misma energía, el mismo lugar, e idénticos números cuánticos. En otras palabras, es imposible que existen dos cosas en un mismo lugar. Gracias a este principio, los objetos existen tal y como son.

¿Pero quién fue la persona encargada de dar a conocer por primera vez este principio?

El físico encargado de hacerlo se llama Wolfgang Ernst Pauli, quien nació en Viena el 25 de abril de 1900. En 1918 se licenció en física y en 1921 logró su doctorado, también en física, a partir de un artículo sobre la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

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El físico Wolfgang Pauli.

Para comprender mejor el principio de exclusión debemos decir que en la realidad, al menos aquella que podemos observar, existen dos tipos de partículas: los fermiones y los bosones. Los primeros se caracterizan por tener espín semientero (1/2, 2/3… etc.). Cuando nos referimos a la palabra spín estamos hablando del giro que tienen todas las partículas (imaginemos a una bailarina que gira sobre su propio eje pero a diferentes velocidades). Los fermiones están divididos a su vez en quarks y leptones: los quarks son las partículas que forman el núcleo de los átomos y los leptones a los electrones que giran en del núcelo atómico.  Hay que decir que toda la materia con la que interactuamos (desde los elementos químicos más básicos, hasta las galaxias más grandes) están formadas por quarks y leptones

Por el contrario, los bosones tienen un espín entero (0,1,2…etc.) y no cumplen con  el principio de exclusión de Paoli (los bosones pueden estar en dos lugares a la vez al mismo tiempo, al contrario de lo que sucede con los fermiones, como ya hemos señalado).

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El físico Peter Higgs recibiendo el Premio Nobel de Física.

En este sentido, la ciencia está llena de teorías que muchas veces tienen que ser desechadas cuando se les contrasta con la realidad. Pero en el caso del bosón de Higgs esto no sucedió. Su existencia ha sido demostrada gracias al Acelerador de Partículas que se encuentra en el CERN de Ginebra, Suiza. El esperado anuncio se hizo el 4 de Julio de 2012 y para 8 de octubre de 2013 Peter Higgs, junto con François Englert, recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

En resumen, el campo de Higgs debe ser considero como un campo que llena todo el vacío. La presencia de masa es el resultado de la interacción de las partículas elementales con este campo vacío. En este sentido el campo de Higgs podría ser tan importante como la curvatura del espacio-tiempo que es la que al fin y al cabo produce la gravedad. Recordemos que Albert Einstein propuso en 1915 que entre más masivo es un cuerpo, mayor es la curvatura que produce en el espacio-tiempo el cual puede ser imaginado como una gran cama elástica que se deforma por la presencia de la masa que producen los cuerpos masivos tal es como las estrellas, los planetas y las galaxias.

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Edwin Hubble y la expansión acelerada del universo

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por Julio García. 

Uno de los astrofísicos que han dejado una de las huellas más profundas en nuestra comprensión del Universo tal vez sea  el estadounidense Edwin Hubble (1889-1953), a quien se le considera el padre de la astrofísica observacional.

Recordemos que la astrofísica es una rama de la ciencia que se puede dividir en teórica y empírica. En lo que respecta a la parte teórica, los científicos tienden a hacer especulaciones sobre el universo. Por ejemplo, pueden afirmar que este tiende a expandirse aunque no tengan elementos concretos para poder comprobar eso que afirman (hoy está más que comprobado que el universo se expande).

Edwin Hubble se planteó la idea del universo en expansión pero, en su momento, no tenía pruebas de que esto realmente sucedía.

De hecho, comenzó estudiando leyes en la Universidad de Oxford y posteriormente abandonó la carrera con tal de dedicarse de lleno a la astronomía. Así, al volver de sus servicios después de la primera Guerra Mundial, en 1919, comenzó a trabajar en el observatorio del Monte Wilson, donde tenía acceso a un telescopio de 254 metros. En aquel entonces, este era el telescopio más potente del mundo.

Su trabajo consistía en observar nebulosas que son objetos que son nubes de gas y polvo formadas mayormente por helio e hidrógeno y que, al juntarse lo suficiente, llegan a formar estrellas.

Uno de los primeros científicos en darse cuenta de que las estrellas tenían un corrimiento hacia el rojo fue William Huggins, quien registró el corrimiento hacia el rojo de la estrella Sirio. ¿En qué consiste exactamente este corrimiento?

 

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El astrofísico Edwin Hubble.

Recordemos que la luz tiende a comportarse en forma de ondas. Cuando un objeto se acerca a otro, a la velocidad que sea, se dice que se produce un corrimiento hacia el azul. Y, cuando un objeto se aleja de otro, se dice que tiende a un corrimiento hacia el rojo. Esto es fácil de imaginar porque el mismo fenómeno se observa con el sonido. Si nos paramos en una carretera y vemos que a lo lejos se acerca un vehículo a gran velocidad, pronto nos daremos cuenta que el sonido se tornará cada vez más agudo conforme el vehículo se acerca hacia nosotros. Cuando el vehículo pasa por el punto en donde nos encontramos y luego se aleja, inmediatamente seremos conscientes de que el sonido será cada vez más grave debido a que las ondas se hacen más largas. Esto mismo sucede con la luz: cuando se acerca a nosotros, las longitudes de onda son más cortas y el color se tornará en azul, mientras que cuando la fuente de luz se aleja de nosotros, las ondas se harán más largas y se tornarán cada vez más rojas.

En 1929 Edwin Hubble publicó un análisis de la velocidad radial de las nebulosas que observaba.  Aunque algunas de estas nebulosas extragalácticas se acercaban a la Tierra, la mayoría se alejaban y encontró algo verdaderamente interesante: conforme estas nebulosas se alejaban más rápido se movían. Concluyo entonces que las galaxias se alejan unas de otras y que el espacio que hay entre ellas también se expande. La velocidad de expansión es cada vez más rápida conforme las galaxias se van alejando unas de otras.

El descubrimiento de Hubble de que el universo se expande es considerado uno de los momentos más importantes de la historia de la ciencia. Hay que señalar, sin embargo, que ya desde 1915 Albert Einstein se había planteado el tema de la expansión del universo aunque siempre llegara a negarlo porque creía en un universo inalterable y que no cambiaba. De hecho propuso una constante cosmológica con la que intentaba zanjar el problema de la expansión. Años más tarde, el gran físico alemán reconocería que la negación de la expansión del universo habría sido el mayor error de su vida.

Hoy por hoy ya no cabe la menor duda de que el universo se expande y que lo hace a velocidades cada vez más aceleradas. Lo que los científicos aún no se explican del todo es qué es aquello que produce la expansión. Hablan de que entre los planetas, las estrellas y las galaxias existe una sustancia desconocida llamada energía oscura que es la responsable de producir la expansión. Ahora bien: ¿será esta expansión eterna? ¿llegará un punto en el que se detenga? Una de las teorías más aceptadas, y tal vez de las más acertadas, es que el universo se seguirá expandiendo eternamente hasta que exista una muerte térmica. Esta muerte térmica llegará cuando las estrellas dejen de producir el suficiente combustible para seguir brillando y produciendo energía.

Sinceramente creo que los seres humanos ya no estaremos aquí para ver esto, pero el hecho de saber qué pasará con nuestro universo es una de las cuestiones que siempre nos dejarán intrigados. Tal vez sea una pregunta tan profunda como ¿por qué el universo existe? ¿por qué estamos nosotros en la existencia?, etc.

 

 

Científicos dan un nuevo paso en la comprensión del Big Bang

Künstlerische Impression des Quantenraums der Schleifen-Quantengravitation

Actualmente los físicos son incapaces de saber qué sucedió con exactitud durante la Gran Explosión o Big Bang. Tanto la teoría cuántica como la Teoría de la Relatividad fallan a la hora de describir lo que sucedía en aquella densa y caliente sopa de partículas que estaba presente en los primeros minutos en que se formó el universo. Solamente una teoría de la gravedad cuántica que unificara estas dos pilares fundamentales de la física podría proveer de respuestas a preguntas tan importantes respecto a cómo se formó el cosmos.

En este sentido, científicos del Instituto de Física Gravitacional del Instituto Max Planck han hecho un importante descubrimiento hacia esta ruta. De acuerdo con su teoría, el espacio consiste en pequeños bloques. Y tomando como punto de partida a estos pequeños bloques, han podido llegar hasta las ecuaciones de Friedmann, las cuales ayudan a describir el universo y muestran que tanto la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad realmente pueden ser unificadas.

Por casi un siglo las dos mayores teorías de la física han coexistido pero siempre han estado peleadas: mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe la gravedad y todo lo que sucede en el mundo macroscópico, la física cuántica describe el mundo de los átomos y de las partículas elementales. Ambas teorías funcionan muy bien en sus propios límites, sin embargo se derrumban en ciertas regiones extremas y en distancias específicas como en la llamada escala de Planck. En este tenor podemos decir que el espacio y el tiempo no tiene ningún significado, deja de funcionar, en los agujeros negros o durante la Gran Explosión.

Daniele Oriti del Instituto Albert Einstein utiliza un fluido para ilustrar esta situación: “Nosotros podemos describir el comportamiento del agua corriendo a través de la ya conocida y clásica teoría hidrodinámica. Pero si nos vamos a escalas cada ves más pequeñas y llegamos a átomos individuales, esta teoría deja de funcionar y es entonces cuando necesitamos de la física cuántica”.

Así como los líquidos están compuestos de átomos, Oriti se imagina el espacio como algo hecho por delgadas células o “átomos de espacio”, por lo que una nueva teoría es necesaria para describirlos: en este caso una teoría cuántica de la gravedad.

En la teoría de la relatividad de Einstein el espacio es un continuo pero Oriti rompe con esta postura y presenta la idea de células elementales y delgadas que funcionan al mismo tiempo tanto con la mecánica cuántica como con la teoría de la relatividad y de esta forma unifica ambas teorías.

Pero el problema fundamental de todas las aproximaciones a la gravedad cuántica consiste en conjuntar y conciliar las inmensas escalas que existen entre los átomos y las dimensiones del universo y en esto es en lo que está trabajando Oriti y su equipo.

La tarea que tienen ahora es describir cómo evolucionó el espacio en el universo partiendo de estas células elementales.

Y otro punto importante a destacar es que su teoría solamente es aplicable al universo homogéneo y el mundo real es mucho más complejo ya que está lleno de inhomogeneidades como los planetas, las estrellas y las galaxias. Pero el grupo de Oriti ya está trabajando para incluir en su teoría dicha falta de homogeneidad.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia:  Phys.org

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La prueba definitiva de la existencia de las ondas de gravedad es inminente

andromeda_hd_by_2curiouz-d48f9keDespués de casi 100 años de que Albert Einstein predijera por prima vez la existencia de las ondas de gravedad, una red de observatorios que se dedica a medir estas ondas está muy cerca de detectar lo que podría ser un nuevo y gran descubrimiento en nuestro universo: las ondas de gravedad, las cuales son ondulaciones u olas generadas en el espacio por eventos cósmicos de gran magnitud como la colisión de estrellas, los agujeros negros y las explosiones de supernovas, que contienen una gran cantidad de energía que viaja a la velocidad de la luz.

David Blair es profesor de la Universidad del Oeste de Australia y encabeza a un gran equipo de científicos que recientemente han anunciado la puesta en marcha de una nueva técnica llamada “estrujar lo cuántico” que permite a los detectores de ondas de gravedad incrementar su sensibilidad.

“Ésta es la primera vez que la barrera de medición cuántica ha sido rota a través de un detector de ondas de gravedad”, afirma el profesor Blair. “Esto es similar a romper la barrera del sonido: algunas personas pensaron en su momento que sería imposible. Romper estas barrera probó que los vuelos supersónicos eran posibles y hoy sabemos que, en realidad, esto ya no es una barrera”.

“Esta nueva demostración abre nuevas posibilidades para crear detectores cada vez más sensibles”.

Con la nueva técnica de “estrujar lo cuántico”, los físicos serán capaces de detectar fuentes más distantes.

Actualmente los detectores de ondas de gravedad han sido probados y podemos decir que son los instrumentos más sensibles para detectar este tipo de ondas jamás creados, ya que pueden medir el movimiento a una escala realmente increíble: en atómetros que es un millón de un millón de un millón de un metro. Los movimientos que detectan son minúsculos y pueden ser comparados con el hecho de medir el movimiento de un protón.

Gracias a las nuevas técnicas los físicos podrán llegar a mayores niveles de sensibilidad. Esto permitirá a la humanidad, por primera vez, “escuchar” estas ondas de gravedad  que permean todo el universo y que se mueven constantemente a la velocidad de la luz.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

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Hallazgos del telescopio Kepler insipran a científicos con ideas innovadoras

6a00d8341bf7f753ef0192ac3c9658970dLa nave espacial Kepler ha descubierto, hasta ahora, más de 2000 nuevos mundos alrededor de otras estrellas, muchas de ellas del doble del tamaño de la Tierra y que posiblemente contengan agua. Todo esto se convierte en una excelente oportunidad para buscar otras formas de vida.

Para George Marcy, profesor de astronomía de la Universidad de Berkley, “las civilizaciones tecnológicamente avanzadas podrían comunicarse con otras naves espaciales que estén en otras partes de la galaxia utilizando rayos láser, ya sea en luz visible o en luz infrarroja”. “La luz láser puede ser detectada por otras civilizaciones porque su poder está concentrado en un haz estrecho y la luz está concentrada en un solo color o frecuencia específica.

Marcy, quien ha sido uno de los pioneros en la búsqueda de otros planetas desde hace más de 20 años, planea utilizar los datos recabados por el telescopio Kepler para buscar evidencia de civilizaciones lo suficientemente avanzadas que hayan sido capaces de construir estaciones solares para abastecerse de energía.

Marcy se ha dado cuenta de que la información que proporciona el telescopio Kepler podría revelar estrellas que contengan estaciones de energía llamadas Esferas Dyson, que son megaestructuras que orbitan astros y que capturan una gran parte su energía. Éstas fueron propuestas hace más de 50 años por el físico Freeman Dyson quien cree que una civilización avanzada las utilizará para proveerse de energía.

Otro de los profesores implicados en promover estas teorías innovadoras es el físico teórico Rafael Bousso, quien junto con Joseph Polchinski de la Universidad de Berkeley, han propuesto la teoría de cuerdas que implica que el universo está compuesto por un infinito número de multiversos, cada uno con sus propias características físicas pero operando con las mismas leyes físicas que rigen el nuestro. Sin embargo, es muy improbable que podamos visitarlos o inclusive verlos con los telescopios actuales ya que la luz no ha tenido tiempo de viajar tan lejos desde que el universo comenzó, pero él es optimista en el sentido de que es posible encontrar predicciones de las hipótesis que puedan ser probadas.

“La gente mostraba mucho escepticismo con la Teoría General de la Relatividad de Einstein, pero ahora, décadas después, el GPS funciona gracias a esta teoría y ha llevado a increíbles y profundas cuestiones en física, sobre cómo comenzó el universo y qué sucede dentro de un agujero negro”, afirma Bousso. “Nos encontramos en las primeras etapas de la teoría de los multi universos, pero es una cuestión bastante seria y plausible que debemos poner a prueba”.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

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