MEXIKO, v1, n6, 3 de junio de 2009

MEXIKO, v1, n6, 3 de junio de 2009
kosmosmexiko.blogspot.com
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Izquierda: Atomo [núcleo (protones, neutrones) y electrones].
Derecha: Partículas elementales [quarks (d, u, s, c, b, t)
y leptones (electrón, muón, tauón, y sus neutrinos].
2009 kosmos 1 (6) 2
Pláticas Populares sobre Astronomía, Astrofísica y Cosmología
en 2009, Año Internacional de la Astronomía.
david bahena, PhD *
La hipótesis atómica es una de las ideas materialistas que han sobrevivido más de dos mil años. Hoy se sabe que
el átomo es divisible pero la existencia de ladrillos básicos como constituyentes del universo visible es real. La
mecánica cuántica es la teoría para el entendimiento del átomo y es la base de casi toda la ciencia y tecnología
modernas. La materia conocida del universo está formada por quarks, electrones y campos y, las interacciones
conocidas de la naturaleza son: gravitación, electromagnetismo, nuclear débil y nuclear fuerte.
1. Hipótesis atómica
En la antigüedad griega (siglo III a.C.) dominó el
pensamiento de Aristóteles quien pensaba que la
materia en el universo estaba compuesto de los
elementos: tierra, agua, aire y fuego; y que había
dos fuerzas: la que hace subir a los cuerpos y la que
hace bajarlos. También creía que la materia era
continua y podría dividirse sin límite.
Sin embargo, cien años antes, otros
pensadores griegos consideraron que la materia era
discreta y que todo estaba formado por pequeñas
partículas a las que llamaron “átomos”, los cuales,
eran los constituyentes básicos que no podrían
dividirse más. Sostenían que la realidad está
compuesta por dos causas: lo que es (átomos) y lo
que no es (vacío).
A Leucipo de Mileto, Demócrito de Abdera
y Epicuro de Samos se les atribuye la fundación del
“atomismo”. En esta idea, los átomos son partículas
finitas, indivisibles, de formas variadas y siempre en
movimiento; y, el vacío, es imprescindible para que
exista el movimiento.
La atomística de Demócrito se conoce por
Lucrecio Caro quien, en su poema “Rerum Natura”
(“De la naturaleza de las cosas”), escribió en el
siglo I acerca de la estructura del átomo y del vacío,
del agrupamiento y movimiento de los átomos.
“Nada nace de la nada, nada vuelve a la nada”,
expresó, definiendo al cosmos como el conjunto de
átomos que se mueven en el vacío.
Pero la atomística no fue considerada
ampliamente. Siguieron mil quinientos años de
dominio aristotélico. Fue hasta el siglo XVI, con la
revolución copernicana, que Giordano Bruno
difundió la ideas del heliocentrismo, la pluralidad
de mundos y sistemas solares, la infinitud del
espacio y el universo, así como, en el movimiento
de los átomos. El universo de Bruno es concebido
como un organismo y los átomos son orgánicos y
vivientes.
En 1704 destacan los descubrimientos de
Isaac Newton sobre la naturaleza de la luz, quién
demostró que la luz blanca al atravesar un prisma se
descompone en varios colores y propuso una teoría
corpuscular de la luz, según la cual, está formada
por partículas y se propaga en línea recta, no por
medio de ondas.
Luego, en 1803, John Dalton estableció un
“nuevo sistema de filosofía química”, según el cual
la materia es discontinua y está formada por átomos
y, el agrupamiento de éstos, forma moléculas.
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Después siguieron diversas investigaciones
sobre la electricidad y el magnetismo. André-Marie
Ampère determinó en 1826 que un campo eléctrico
que varía con el tiempo, produce un campo
magnético, y la circulación en este campo es igual a
la densidad de corriente.
Michael Faraday estableció en 1832 que
existen cargas eléctricas con una magnitud definida
asociada a los átomos y propuso la existencia de un
“cuanto” eléctrico. También, que la inducción
electromagnética origina una fuerza electromotriz
en un campo magnético.
La teoría dinámica del campo
electromagnético fue propuesta en 1864 por James
Clerk Maxwell y otros. A partir de las leyes de
Gauss, Faraday y Ampére, las ecuaciones de
Maxwell describen las propiedades
electromagnéticas macroscópicas de la materia. La
luz es descrita como una onda electromagnética.
En 1869, Dimitri Mendeleiev clasificó a los
elementos químicos según su masa, ordenándolos
de acuerdo a sus propiedades y dejando huecos que
postulaban la existencia de elementos desconocidos
a ese momento.
Diez años después se descubrió la
inestabilidad atómica. En 1896, Wilhem Roentgen
descubrió un tipo de rayos capaces de atravesar los
cuerpos opacos y de impresionar las películas
fotográficas. En su momento no se conocía la
naturaleza de estos rayos desconocidos y se les
llamó X. Hoy se sabe que son una radiación
electromagnética de longitud de onda muy corta que
se originan en las capas atómicas externas debido a
la transición de los electrones de niveles superiores
a inferiores de energía.
Al siguiente año, en 1896, Antoine
Becquerel descubrió accidentalmente a la
radiatividad al encontrar veladas unas placas
fotográficas colocadas sobre un mineral de uranio.
Marie Slodowska y Pierre Curie estudiaron el
fenómeno y concluyeron que era una propiedad
característica de ciertos átomos. Las radiaciones
fueron identificadas como “alfa”, “beta” y
“gamma”, las dos primeras de carácter corpuscular
y, la tercera, electromagnética.
La radiatividad es propia de átomos con
núcleos inestables desde los cuales se emiten las
radiaciones. Estas tienen diversas aplicaciones pero
al interaccionar con el tejido vivo pueden causar un
“detrimento” a la salud y producir diversos efectos
biológicos dañinos, tanto somáticos como genéticos.
En 1897, al realizar experimentos con rayos
catódicos se observaron corrientes eléctricas en los
tubos de vacío. Joseph John Thompson descubrió al
electrón, nombre sugerido en 1974 por Johnstone
Stoney, al concluir que los rayos catódicos están
formados de pequeños corpúsculos provenientes de
los átomos del cátodo que eran desviados por un
campo magnético. Calculó entonces la relación de
la masa a la carga del electrón. La existencia de éste
implicaba que el átomo es divisible.
En el siglo XIX, Pierre Simon Laplace
había argumentado en favor del determinismo
científico, de manera que, debían existir un conjunto
de leyes que nos permitirían predecir todo lo que
sucediera en el universo si conociéramos el estado
de éste en un instante de tiempo dado. La idea fue
abandonada a principios del siglo XX cuando se
produjo la llamada “catástrofe ultravioleta”. Esta, de
acuerdo a la física clásica, implicaba que la energía
radiada total por un cuerpo caliente podría ser
infinita. Para evitar ese resultado, Max Planck
propuso en 1900 que la luz, los rayos X y otros
tipos de ondas no se emiten en cantidades arbitrarias
sino en ciertos paquetes llamados “cuantos”. Con
ello se iniciaba el desarrollo de la física cuántica.
Atomistas griegos: Leucipo, Demócrito, Epicuro, Lucrecio
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2. Teoría cuántica del átomo
2.1 Cuantización de la energía
La teoría cuántica empieza con la “cuantización de
la energía”. A la radiación emitida por un cuerpo
como resultado de su temperatura se le llama
radiación térmica. Hay una clase de cuerpos
calientes, llamados cuerpos negros, que emiten
radiación térmica con el mismo espectro a una
temperatura dada. Tales cuerpos absorben toda la
radiación que reciben y, como no reflejan la luz, se
ven negros.
A principios de 1900, John Strutt Rayleigh
y James Jeans presentaron un cálculo para la
densidad de energía de un cuerpo negro. La
formulación predecía una producción de energía
que tendía al infinito mientras que, los experimentos
demostraban que a frecuencias muy altas (región
ultravioleta) la densidad de energía tiende a cero. A
esto se le llamó “catástrofe ultravioleta”.
La física clásica no podía explicar la
situación. Entonces, se produjo una crisis y, a la
vez, una revolución en la física. En 1900, Max
Planck dedujo un resultado teórico que concuerda
con los experimentos y propuso que la energía era
una variable discreta, es decir, que solamente podía
tomar valores discretos y no arbitrarios. Esto es, la
energía se emite en forma de pequeñas cantidades
llamadas “cuantos”, caracterizada por dos
cantidades, la frecuencia y la llamada constante de
Planck (h). Al ser cuantizada la energía empezó la
teoría cuántica.
En 1905, Albert Einstein publicó tres
importantes artículos. En el primero de estos se
refirió al “movimiento browniano·”. Este es un
movimiento aleatorio que se observa en algunas
partículas microscópicas inmersas en un fluido, por
ejemplo, polen en agua. El movimiento aleatorio de
las partículas se debe a que su superficie es
bombardeada por las moléculas del fluido sometido
a agitación térmica. Así, de una manera indirecta,
Einstein confirmaba la existencia de átomos y
moléculas.
Luego, propuso la cuantificación de la
energía electromagnética. Einstein demostró que las
partículas cargadas, conocidas como electrones,
absorbían y emitían energía en cuantos finitos
proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación.
Esto implicaba a la naturaleza corpuscular de la
radiación. La luz es una partícula llamada “fotón”,
sin masa, que viaja en el vacío a una velocidad de
c=300 mil kilómetros por segundo. A la expulsión
de electrones de una superficie mediante la acción
de la radiación electromagnética se le llama “efecto
fotoeléctrico”.
De acuerdo a esta nueva teoría de la luz, la
energía de un fotón es igual a la frecuencia de la
radiación multiplicada por la constante de Planck.
De esta manera, la energía está distribuida en el
espacio de una forma discontinua.
El mismo año, en el contexto de la teoría
especial de la relatividad, Einstein propuso el
principio la equivalencia entre masa (m) y energía
(E) expresada en su famosa fórmula E=mc2, donde c
es la velocidad de la luz. Esto implica que la masa
conlleva cierta energía aunque el objeto se
encuentre en reposo. La masa y la energía son
propiedades de la materia en movimiento y las
interacciones tienen como límite a la velocidad
de la luz.
La relación de Einstein tendría fuertes
implicaciones pues en el interior del átomo estaría
concentrada una gran cantidad de energía que al
liberarse podría utilizarse con diversos fines,
incluidos los bélicos, como ha ocurrido. El proceso
de producir masa a partir de energía también es
posible.
2.2. Cuantización del átomo
A partir del descubrimiento del electrón se idearon
muchos experimentos para explorar el interior del
átomo. Se conoció la carga del electrón y se
encontró que su masa era muy inferior a la de los
átomos más ligeros.
Experimentos como el efecto fotoeléctrico y
la dispersión de rayos X demostraron que el átomo
contenía electrones y que el número de éstos era
aproximadamente la mitad del peso atómico del
átomo. Se concluyó que un átomo es eléctricamente
neutro y que tenía una carga positiva igual a la
negativa de los electrones y que la mayor parte de la
masa estaba asociada a la carga positiva.
En 1906, Joseph John Thompson propuso
un modelo de átomo como una esfera de carga
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positiva, en la cual, los electrones se consideraban
como cargas puntuales inmersos en la esfera. Este
modelo de “pudín de pasas” fue descartado cuando
se encontró que no concordaba con el experimento
de dispersión de partículas alfa.
Robert Millikan realizó en 1909 el
“experimento de la gota de aceite” para determinar
la carga del electrón. En 1911, Ernest Rutherford
utilizó las partículas alfa para examinar la estructura
de la materia. Algunas partículas atravesaban al
átomo desviándose con ángulos diversos pero, otras,
retrocedían 180 grados. Esto llevó a Rurherford a
suponer que toda la carga positiva del átomo, cuyo
tamaño es del orden de un Angstrom (10-8 cm),
estaba concentrada en una región pequeña llamada
núcleo, del tamaño del orden de un Fermi (10-13
cm), y que los electrones giraban alrededor de éste a
la manera de un sistema planetario. Al núcleo del
átomo de hidrógeno se le llamó protón.
La conclusión fue muy relevante porque se
demostraba que el átomo, considerado indivisible,
tenía una estructura interna.
Pero una configuración como la de
Rutherford implicaba problemas de estabilidad del
átomo. De acuerdo con la teoría de Maxwell, las
partículas cargadas al ser aceleradas radian ondas
electromagnéticas. Entonces, los electrones
perderían energía y colapsarían en el núcleo en
trayectorias espirales, cuestión que no observamos
en la realidad.
En 1913, Niels Bohr presentó una teoría que
preservaba la estabilidad del átomo. Primero,
postuló que los átomos existen en “estados
estacionarios”, en los cuales no radian energía y son
estables. Este postulado es equivalente a la
cuantificación de la energía de los átomos. Segundo,
el átomo emite o absorbe energía radiante
únicamente cuando va de un estado estacionario a
otro, y el cambio de energía del átomo es igual a la
energía del fotón de radiación que se emite o
absorbe. Este postulado invoca el concepto cuántico
de la radiación de Einstein.
Finalmente, Bohr propuso una regla de
cuantización para determinar los estados
estacionarios de energía del átomo. Esta regla se
llama ·”Principio de correspondencia” y quiere decir
que la teoría cuántica tiene un límite clásico, es
decir, da los mismos resultados en el límite en que
la teoría se conoce como correcta.
Con estas bases, los postulados de Bohr
permitieron deducir una formulación teórica para
las energías permitidas del átomo de hidrógeno, el
más sencillo, es decir, un átomo con un solo
electrón. Después, calculó los radios orbitales
permitidos y encontró que el movimiento orbital
angular del electrón está cuantizado, es decir, toma
únicamente valores enteros múltiplos de la
constante de Planck.
Posteriormente, el concepto atómico de
Bohr se abandonó porque, de acuerdo a la mecánica
cuántica, las órbitas no pueden definirse. Sin
embargo, el éxito de Bohr motivó en 1916 a
William Wilson y a Arnold Sommerfeld a estudiar
átomos más complejos y a elaborar una teoría más
detallada para el átomo de hidrógeno considerando
órbitas elípticas tridimensionales y efectos
relativistas para el movimiento del electrón. Sin
embargo, no fue posible explicar al átomo de helio.
Era evidente que hacía falta reformular y
generalizar las leyes de la física. Esto ocurrió hacia
fines de los años 20’s cuando Erwin Schrodinger y
Werner Heisenberg formularon la teoría de la
mecánica cuántica.
Poco antes, en 1916, Einstein ajustó la
función de Planck asignando probabilidades a los
procesos de absorción y emisión de radiación. Si
solamente se considera absorción y emisión
espontánea se obtiene la ley de Wilhem Wien pero,
si se adiciona la emisión estimulada, se obtiene la
ley de Planck. Esto sirvió para establecer los
fundamentos para el desarrollo de los láseres y de
sus predecesores, los máseres (que emiten
microondas), utilizando la ley de radiación de
Planck basada en los conceptos de emisión
espontánea e inducida de la radiación.
Después, en 1923, mediante experimentos
de dispersión de electrones por rayos X, Arthur
Compton corroboró la teoría corpuscular de la
radiación propuesta por Einstein. La teoría cuántica
parecía clara pero era necesaria una teoría
ondulatoria de la radiación para entender lo
fenómenos de interferencia y de refracción.
2.3 Dualidad onda-partícula
En 1924, Louis de Broglie expuso su teoría acerca
de las ondas de materia. De acuerdo a esta hipótesis,
el comportamiento dual de la radiación, como ondas
y partículas, se aplicaba igualmente a la materia. Es
decir, la longitud de onda de una onda material está
asociada con la cantidad de movimiento de la
materia. Con esta base, en el átomo solamente están
permitidas aquellas órbitas que contienen un
número entero de ondas de De Broglie.
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Los experimentos realizados demostraron
que la materia se comporta de acuerdo con las leyes
del movimiento ondulatorio. A la función que
representa la onda de De Broglie se le llama
“función de onda”, la cual no mide la trayectoria del
movimiento sino las densidades de probabilidad. La
posición exacta de una partícula no se puede
especificar en un instante dado sino que se le define
mediante la probabilidad de encontrarla en un cierto
intervalo de espacio en un instante dado. Así como
se suman las funciones de onda para dos ondas
electromagnéticas, también se puede hacer para dos
ondas de materia superpuestas. Es decir, a la
materia como ala radiación, se aplica el “principio
de superposición”.
Al siguiente año, 1925, Wolfang Pauli
formuló el “principio de exclusión” para explicar la
Tabla Periódica de los elementos mediante el
modelo de Bohr. Este principio establece que dos
partículas materiales idénticas no pueden estar en el
mismo estado cuántico, es decir, no pueden tener
ambas la misma posición y la misma velocidad
dentro de los límites fijados por el principio de
incertidumbre. En el caso de los electrones, el
principio de Pauli implica que no pueden ocupar el
mismo estado cuántico y tienen que ocupar
sucesivas capas electrónicas. Este principio permite
explicar porqué las partículas materiales no
colapsan en un estado de alta densidad y, sin este
principio, sería muy difícil imaginar la estructura de
la naturaleza.
El mismo año, Werner Heisenberg, Max
Born y Pascual Jordan introdujeron una formulación
matricial de la mecánica cuántica para utilizar
solamente conceptos observables de energía y
probabilidad. Mediante esta mecánica matricial es
posible obtener información a partir de conocer el
estado inicial y final de un sistema sin tener en
cuenta los estados intermedios. Esto tenía muchas
implicaciones acerca del determinismo.
De acuerdo al “principio de incertidumbre”
de Heisenberg, propuesto en 1926, no se puede
determinar simultáneamente y con precisión
arbitraria, ciertos pares de variables físicas, por
ejemplo, la posición y al cantidad de movimiento, o
la energía y el tiempo, de un objeto dado.
Heisenberg demostró que la incertidumbre en la
posición de la partícula, multiplicada por la
incertidumbre en su velocidad y por la masa de la
partícula, nunca puede ser más pequeña que la
constante de Planck.
El principio de incertidumbre es una
propiedad fundamental de la naturaleza y tiene
profundas implicaciones. Este principio terminó con
el determinismo. Es decir, no se pueden predecir los
acontecimientos futuros con exactitud ni siquiera el
estado presente del universo. El principio se basa en
un conocimiento basado en probabilidades.
Las mediciones físicas comprenden la
interacción entre el observador y el sistema
observado y el principio de incertidumbre es una
consecuencia de la dualidad onda-partícula.
En 1926, Erwin Schrödinger fundó la
mecánica ondulatoria introduciendo una
equivalencia parcial con la mecánica matricial.
Junto con Werner Heisenberg y Paul Dirac se
reformuló a la teoría de la mecánica cuántica,
basada en el principio de incertidumbre. En esta
teoría, las partículas no poseen posiciones y
velocidades definidas separadamente, pues éstas no
podrían ser observadas. Ahora, las partículas tienen
un estado cuántico que es una combinación de
posición y velocidad.
En general, la mecánica cuántica no
produce un resultado único de cada observación,
sino cierto número de resultados posibles, dando la
probabilidad de cada uno de ellos. Un sistema físico
queda descrito por una función de onda que
proporciona información sobre la distribución de
probabilidades.
De acuerdo a la hipótesis de Planck, la luz
formada por ondas se comporta en algunos aspectos
como si estuviera formada de partículas que solo
pueden ser emitidas o absorbidas en paquetes o
cuantos. De acuerdo al principio de Heisenberg, las
partículas se comportan en algunos aspectos como
ondas, es decir, no tienen una posición bien definida
sino que están esparcidas en una cierta distribución
de probabilidad.
Esto es, en mecánica cuántica existe una
dualidad onda-partícula. Una consecuencia se puede
observar en el fenómeno de interferencia de ondas o
de partículas. Si una fuente de luz se proyecta sobre
una placa con dos rendijas, una pequeña cantidad
atravesará a éstas. Si del otro lado de la fuente
luminosa se coloca una pantalla se observa un
diagrama de franjas luminosas y oscuras. Esto
ocurre porque las ondas que pasan por las rendijas
no están en fase cuando llegan a la pantalla, de
manera que, algunas se reforzarán y otras se
cancelarán.
Algo similar ocurre si, en vez de luz, se
utilizan partículas como electrones en cuyo caso se
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produce un patrón de interferencia. En 1927,
George Paget Thompson demostró que los haces de
electrones se difractan al pasar a través de películas
delgadas. Pero, bajo las condiciones de la óptica
física, no solamente los electrones sino todos los
objetos materiales, cargados eléctricamente o no,
muestran características ondulatorias en su
movimiento.
Ese año, Bohr formuló la llamada
“interpretación de Copenhague” conocida como
“principio de complementariedad”, según la cual,
ambas descripciones, la ondulatoria y la corpuscular
son necesarias para comprender al mundo cuántico.
2.4 Cuantización del núcleo atómico
Con base en el formalismo cuántico, en 1928,
George Gamow estudió la radiatividad alfa. Supuso
que estas partículas están encerradas en el núcleo
atómico en un pozo de potencial del cual, según la
mecánica clásica, nunca podrían salir por no tener
suficiente energía pero, de acuerdo a la mecánica
cuántica, tienen una cierta probabilidad de hacerlo
mediante el llamado “efecto túnel”.
De acuerdo al principio de incertidumbre,
Gamow supuso que una pequeña parte del núcleo
atómico de la partícula alfa no está exactamente en
el centro del núcleo sino ligeramente separada, de
manera que, predomina la fuerza de repulsión
electrostática y no la interacción nuclear fuerte. Así,
el efecto túnel explica el proceso de emisión de
partículas alfa del núcleo atómico. El efecto
también explica los procesos para la producción de
energía en las estrellas, es decir, las reacciones de
fusión termonuclear, en las cuales, los átomos
ligeros se aproximan suficientemente para
fusionarse luego de haber superado sus barreras de
potencial mediante el efecto túnel.
En 1928, Paul Dirac formuló una teoría
relativista del electrón, consistente con la mecánica
cuántica y la teoría especial de la relatividad, es
decir, una teoría electrodinámica cuántica. Con su
ecuación de onda, Dirac predijo la existencia del
antielectrón o positrón, en cuya aniquilación la
masa se transforma en energía.
Por algún tiempo se había especulado
acerca de la existencia de otras partículas (sin
carga), adicionales al protón, debido a que las masas
de los átomos de número atómico superior al
hidrógeno resultaban ser superiores a la suma de las
masas de sus protones. La nueva partícula, el
neutrón, fue descubierta por James Chadwick en
1932. Con ello se descubrió que el núcleo atómico
tiene estructura interna y está formado por protones
y neutrones. Ambos se mantienen unidos en el
interior del núcleo debido a una fuerza llamada
nuclear fuerte.
El mismo año Heisenberg propuso un
modelo de núcleo formado con protones y neutrones
ligados por el intercambio de electrones. Ese año,
también, al estudiar los rayos cósmicos Carl David
Anderson descubrió al positrón constituido por una
carga eléctrica positiva. El positrón es la
antipartícula del electrón y correspondía a la
partícula predicha por Dirac. La interacción de un
electrón y un positrón resulta en la aniquilación de
ambos y la creación de dos fotones gamma cuya
energía equivale a la masa del par electrón-positrón.
El fenómeno inverso, la creación de pares, también
es posible.
Este descubrimiento fue la primera
evidencia de existencia de antimateria. De hecho, al
principio de la expansión del universo existía casi la
misma cantidad de materia y antimateria. Desde
fracciones de segundo después del Big Bang existe
antisimetría.
En 1933, Enrico Fermi propuso una teoría
de la radiatividad beta basada en la teoría cuántica
de campos de Dirac, Heisenberg y Pauli. En este
proceso, un núcleo atómico inestable emite una
partícula beta, que puede ser un electrón o un
positrón. La desintegración beta se debe a la
interacción nuclear débil que transforma a un
neutrón en un protón, o viceversa, creando un
electrón o un positrón, respectivamente. En otro
proceso en competencia, un neutrón puede capturar
a un electrón para producir un protón y un neutrino.
Para evitar la violación de la conservación
de energía Pauli propuso la existencia del
“neutrino” (y antineutrino), partícula (o
antipartícula) sin carga y aparentemente sin masa no
detectada a ese momento.
Se creía que los protones y neutrones eran
partículas elementales pero, para que la interacción
fuerte los mantuviera unidos en el núcleo era
necesaria la existencia de partículas mensajeras. En
1935, Hideki Yukawa introdujo una nueva teoría
según la cual el protón y el neutrón se atraen
mutuamente intercambiando una partícula virtual de
masa intermedia entre las partículas nucleares y los
electrones, es decir, un mesón.
Considerando la interacción a distancia a
través del intercambio de partículas, Yukawa
introdujo el concepto de “campo” para describir el
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comportamiento de magnitudes que se definen en
todo punto de una región del espacio-tiempo.
En 1937, Anderson y colaboradores
corroboraron la teoría de Yukawa al descubrir en
los rayos cósmicos a una partícula inestable
doscientos veces más pesada que el electrón a la que
se llama muón, tanto de carga positiva como
negativa. Este, sin embargo, no era el mesón de
Yukawa sino un elemento de su decaimiento.
En 1939, habiéndose descubierto el neutrón,
Fermi produjo en Chicago la primera reacción de
fisión en cadena. Otro tanto hizo Otto Hahn en
Alemania. La fisión significa el rompimiento de un
núcleo atómico pesado, como el uranio, cuando es
bombardeado por neutrones. Una secuencia de estas
reacciones produce una reacción de fisión nuclear
en cadena.
Con esas ideas, los científicos nucleares se
fueron a la guerra intentando la manufactura de una
bomba en Alemania o incorporándose de lleno al
proyecto Manhattan en los Estados Unidos. Muchos
coincidían en que Alemania pretendía construir la
bomba. Entonces, para disuadir a Hitler sugirieron
“ingenuamente” al gobierno de Estados Unidos que
intensificara la investigación nuclear. Eso fue,
precisamente, lo que ocurrió. Los grandes
científicos de la época terminaron colaborando con
un proyecto de muerte que algunos celebraron en la
ebriedad como un triunfo cuando estalló la
explosión en Nagasaki.
Como consecuencia de la equivalencia de
masa y energía de Einstein, en el proceso se libera
una gran cantidad de energía que puede utilizarse
con fines pacíficos o militares. En 1945, Hiroshima
y Nagasaki fueron el blanco de las experiencias
bélicas previas realizadas en Nevada y Los Alamos,
en los Estados Unidos. Miles de japoneses murieron
dejando secuelas de los daños biológicos hasta el
día de hoy. En la posguerra, varios científicos
nucleares adscritos al proyecto Manhattan
recibieron el premio “Atomos para la paz”.
Efecto fotoeléctrico
Atomo cuántico
Principio de incertidumbre
Estados del electrón
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3. Partículas elementales
3.1 Cuantización de las partículas
En 1947, Cecil Frank Powell y colaboradores
descubrieron al mesón Pi (π) o pion. De acuerdo a
la teoría de Yukawa, la fuerza nuclear fuerte se debe
al intercambio de piones. Eso funcionaría bien para
el intercambio entre un protón y un neutrón pero no
entre dos neutrones o dos protones. En este caso, se
requería un mesón neutro que pronto fue
encontrado, estableciéndose la existencia de los
piones positivo (π+), negativo (π-) y neutro (π0).
Hacia ese año parecía que se había logrado
entender la estructura del átomo. Fotones,
electrones, positrones, protones, neutrones y piones
habían sido descubiertos y se tenía la certeza de la
existencia del neutrino. Todo parecía elemental y
explicable excepto el muón.
Eso motivó el desarrollo de la física de las
altas energías utilizando aceleradores de partículas,
como el cosmotrón o el bevatrón, en Estados
Unidos. Las actividades, sin embargo, estaban
centradas en producir isótopos radiativos con fines
médicos.
Antes de la guerra, Heisenberg y Pauli se
habían comprometido a elaborar una teoría general
de las partículas que no fue presentada por el inicio
de la guerra. Después de ésta, entre 1947-50,
Shin’ichiro Tomonaga, Julian Sshwinger y Richard
Feynman formularon la electrodinámica cuántica
(QED) nueva, que es la teoría cuántica del campo
electromagnético, misma que logró un rápido
desarrollo teórico.
En 1948 habían comenzado a aparecer
multitud de partículas llamadas “extrañas” (mesones
pesados, hiperones) por ser desconocidas y los
aceleradores de partículas aumentan sus energías
permitiendo numerosos experimentos.
En 1953, Murray Gell-Mann introdujo la
simetría llamada “extrañeza” para explicar el
comportamiento de producción y desintegración de
partículas extrañas, así como las simetrías SU(2) y
SU(1). En 1961, Murray Gell-Mann, Yuval
Ne’eman y David Speiser formularon una simetría
interna unitaria llamada SU(3) y, en 1962, GellMann hizo la predicción del barión Omega (Ω-) que
se detecta en 1964 confirmando a la simetría SU(3).
Ese año, Gell-Mann propuso el modelo de
tres quarks, es decir, tres tipos de subpartículas o
“sabores” que combinadas entre sí o con los
correspondientes antiquarks, daban cuenta de más
de 300 bariones o mesones identificados hasta
entonces. Como partículas ligeras, o leptones, se
consideraba al electrón al electrón, al muón y sus
neutrinos.
Se inició la búsqueda experimental de esos
quarks especulando sobre las propiedades que
tendrían. En el modelo de tres quarks de Gell-Mann,
un barión (protón, neutrón) está constituido por tres
quarks, un mesón por un quark y un antiquark. Los
tres quarks serían los llamados “up” (arriba),
“down” (abajo) y “strange” (extraño) con sus
correspondientes antiquarks.
Steven Weinberg, Abdus Salam y Sheldon
Lee Glashow formularon en 1967 la teoría
electrodébil que unifica la electrodinámica cuántica
de las interacciones electromagnéticas y la teoría de
las interacciones débiles. En 1971, Gerardus
t’Hoofft hizo la corrección a la “renormalización”
de Weinberg-Salamn eliminando los infinitos a
cualquier grado de aproximación. En 1973, en el
Centro Europeo de Investigaciones Nucleares
(CERN) de Suiza, se detectaron las corrientes
débiles neutras predichas por la teoría electrodébil.
Al año siguiente, fue detectado por Samuel Chao
Chung Ting y Burton Ritcher, el cuarto quark
predicho por t’Hooft, llamado “encanto” (c).
Mas tarde, en 1978, se descubrió el quinto
quark, llamado “fondo” (b) y se supuso a un sexto
llamado “cima” (t) que sería descubierto en 1995.
En 1972, Gell-Mann y Harald Fritzsch
introdujeron la Cromodinámica Cuántica (QCD) o
teoría del color para explicar el confinamiento de
los quarks. Según ésta teoría, cada quark, además de
uno de los tres “sabores” (u, d, s) tiene uno de los
tres “colores” primarios (por ejemplo, rojo,
amarillo y azul) y, por tres colores secundarios (por
ejemplo, naranja, verde y violeta) para los
correspondientes antiquarks. Pero las partículas
libres de la naturaleza son “incoloras”, o sea,
obtenida por superposición de los quarks. Sin
embargo, estos “colores”, como los “sabores”, no
son reales sino solo denominaciones de trabajo.
2009 kosmos 1 (6) 10
De esta manera, los bariones (protones,
neutrones) están formados por tres quarks de
distinto color; dos colores complementarios forman
aun mesón, a su vez, formado de un quark y un
antiquark. Esto significa que ni los protones ni los
neutrones son indivisibles.
En 1978, Martin Lewis Perl descubrió una
tercera partícula ligera, el leptón Tau (τ) o tauón.
Así, en el congreso de Tokio de ese año se propuso
el “modelo estándar de las partículas elementales”,
según el cual, el universo está constituido por tres
pares de leptones y tres pares de quarks.
Los leptones son: el electrón, el muón y el
tauón, cada uno con un neutrino asociado, es decir,
el neutrino electrónico, el muónico y el tauónico,
respectivamente. Los quarks son: u, d, s, c, b, t. Los
leptones y quarks están agrupados en tres familias,
la primera de las cuales, son constituyentes del
universo ordinario, es decir, quark d, quark u,
electrón y neutrino electrónico. La fórmula del
protón es “uud” y, al del neutrón es “udd”.
Esto es, un protón contiene dos quarks “up”
(u) y un quark “down” (d); un neutrón contiene dos
quarks “down” y un quark “up”. La combinación
con los demás quarks puede crear partículas de
masa mucho mayor que decaen rápidamente en
protones y neutrones.
Este tipo de partículas, quarks y leptones,
son distinguibles, cumplen el principio de exclusión
de Pauli y se les conoce como “fermiones”,
partículas distinguibles que obedecen a la
estadística de Fermi-Dirac y cumplen con el
principio de exclusión de Pauli.
El neutrino es una partícula elemental cuya
existencia fue postulada por Pauli en 1930 para
explicar la conservación de energía en las
reacciones nucleares. Tomó mas de 30 años
confirmar la existencia de los neutrinos. De acuerdo
al modelo estándar existen en tres diferentes
“sabores” o tipos de neutrinos que no poseen carga
eléctrica, probablemente pesan más de cien veces la
masa del electrón, oscilan e interactúan de manera
extremadamente débil con la materia y están
asociados con su correspondiente leptón.
En los objetos astrofísicos los neutrinos se
producen cuando ocurren las reacciones nucleares a
densidades y temperaturas extremas, por ejemplo,
en el Sol, el universo temprano, núcleos estelares o
explosiones de supernova.
Para todas las partículas se consideran las
correspondientes antipartículas. Así los seis quarks
tienen seis antiquarks y, los seis leptones, seis
antileptones. En el caso de los neutrinos, la partícula
y la antipartícula es la misma.
3.2 Fuerzas de la naturaleza
En mecánica cuántica hay interacciones entre las
partículas materiales que son transmitidas por
partículas portadoras de fuerza o bosones. Estas
tienen la propiedad de ser partículas indistinguibles,
obedecen la estadística de Bose-Einstein y no
cumplen el principio de exclusión de Pauli. Esto
significa que no existe un límite de partículas que se
pueden intercambiar, por lo que, pueden dar lugar a
fuerzas muy intensas. Pero, si estas partículas
poseen gran masa resulta difícil producirlas e
intercambiarlas a grandes distancias.
Las partículas que intercambian las
partículas materiales entre sí se dice que son
“virtuales” porque no se pueden detectar. Pero
existen porque tienen un efecto medible, es decir,
producen la fuerza entre las partículas materiales.
Algunas veces, sin embargo, esas partículas
virtuales se pueden detectar en forma de ondas
luminosas u ondas gravitatorias.
Las partículas portadoras de fuerza se
agrupan en cuatro categorías, de acuerdo con la
intensidad de la fuerza que transmiten y con el tipo
de partículas con que interactúan. Estas categorías
corresponden al tipo de interacción conocida
existente en la naturaleza que son: electromagnética,
nuclear débil, nuclear fuerte y gravitacional.
La fuerza electromagnética interactúa con
partículas cargadas eléctricamente, es decir,
electrones o quarks. La fuerza entre cargas iguales
es atractiva y, entre cargas opuestas, es repulsiva.
Esta fuerza es de largo alcance y se representa por
el intercambio de un gran número de partículas
virtuales llamadas “fotones”, sin masa, mismos que
también pueden observarse como “reales” en
diversas circunstancias.
La fuerza nuclear débil es la responsable de
la radiatividad y fue comprendida con la teoría
electrodébil que unificó con la fuerza
electromagnética con la débil. Weinberg y Salam
sugirieron que, además del fotón, había otras
partículas, conocidas como bosones vectoriales
masivos, que transmiten a la fuerza débil. Estos
bosones se conocen como W+, W- y Z0, cada uno
una masa de 100 giga electron-volts (GeV), los
cuales tienen una vida media muy corta y son de
muy corto alcance.
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La fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a
los quarks en el protón y en el neutrón, y a éstos
juntos en los núcleos de los átomos. Se cree que esta
fuerza es transmitida por una partícula llamada
“gluón” que solo interactúa consigo misma y con
los quarks. La fuerza es, por tanto, muy intensa y de
corto alcance. La propiedad llamada
“confinamiento” impide que los quarks se puedan
observar aisladamente pues siempre liga a las
partículas en combinaciones tales que el conjunto
total no tiene color. El confinamiento también
impide que se tengan gluones aislados, porque los
gluones entre sí también tienen color. Se necesita,
entonces, tener una colección de gluones para dar el
color blanco. Esta colección forma una partícula
inestable llamada “glueball” (bola de gluones).
Los conceptos de quark y gluón están bien
definidos. A energías normales los gluones unen a
los quarks entre sí, a energías elevadas la
interacción se hace menos intensa y los quarks y
gluones se comportan casi como partículas libres.
La fuerza gravitacional es universal porque
toda partícula la experimenta de acuerdo a su masa
y energía. Esta fuerza es débil, actúa a grandes
distancias y se considera que es atractiva. En este
caso, la fuerza transmitida entre dos fuerzas
materiales se podría representar por el “gravitón”,
partícula que no posee masa propia y es de largo
alcance. El efecto es medible, por ejemplo, entre la
Tierra y el Sol, las partículas virtuales que se
intercambian hacen girar a la primera alrededor del
segundo. Los gravitones reales serían las ondas
gravitacionales que son débiles, difíciles de detectar
y no han sido observadas.
A partir del éxito con la unificación
electrodébil, se ha intentado unificar a estas dos
fuerzas con la nuclear fuerte en lo que se llama
“teorías de gran unificación” (GUT). La idea está
basada en que a altas energías, la fuerza nuclear se
hace menos intensa mientras que la fuerza
electrodébil se hace más intensa. A una determinada
energía, llamada de unificación, las tres fuerzas
deberían tener la misma intensidad y ser, por tanto,
aspectos de una única fuerza. Además, las GUT
predicen que a esta energía los electrones y los
quarks serían esencialmente iguales.
El valor de la energía de unificación no se
conoce muy bien pero tendrían un valor tan grande
que hace difícil comprobar la teoría en el
laboratorio. Pero existen consecuencias de la teoría
que han sido exploradas a baja energía, es el caso
del decaimiento del protón o el neutrón sin que se
haya producido ninguna evidencia experimental.
Ahora bien, las teorías GUT no incluyen a
la gravedad. Esta es importante porque determina la
evolución del universo, en algunos casos, domina
sobre el resto de las fuerzas y hace que una estrella
colapse en agujeros negros.
3.3 Leyes de conservación
En todo proceso en que interaccionan partículas,
existen magnitudes o propiedades que se conservan,
es decir, que no cambian debido a invariancias del
sistema bajo ciertas transformaciones. Una ley de
conservación puede ser válida en todos o alguno de
los procesos según el tipo de interacción que
intervenga.
Se consideran dos tipos de leyes de
conservación, las absolutas y las relativas. Entre las
primeras están las leyes de conservación de: energía
y momento, momento angular total, carga eléctrica
y simetría CPT (que representa la conjugación de la
carga C, la inversión espacial P y la temporal T).
Entre las relativas, están: paridad, isospin, números
bariónico y leptónicos, extrañeza, “encanto”,
“belleza” y “verdad”, y conjugación de carga y
simetría CP.
La importancia de las leyes de conservación
es enorme. Las simetrías facilitan la comprensión de
lo que sucede en el mundo cuántico. Las tres
simetrías fundamentales están relacionadas con el
espacio, el tiempo y la antimateria.
La invariancia de las leyes físicas ente
reflexiones se llama “paridad” o simetría P e
implica que las leyes son las mismas para una
situación cualquiera y para su imagen especular. En
1956, Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang
demostraron que en el decaimiento beta del neutrón,
producido por las interacciones débiles, no se
conserva la paridad P. Los neutrinos también violan
completamente la paridad, lo que permite distinguir
un neutrino de un antineutrino.
La simetría relacionada con el intercambio
de carga eléctrica se llama conjugación de carga o
simetría C e implica que las leyes son las mismas
para las partículas y las antipartículas. Es decir, la
interacción de la luz con la materia o la antimateria
es idéntica. Pero, la simetría C es violada por las
interacciones débiles. Lo que si parece que se
conserva es una combinación de simetrías C y P.
La simetría del tiempo T implica que las
leyes de la física son las mismas si el tiempo
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transcurre del pasado al futuro o al revés. Pero el
tiempo fluye del pasado al futuro, es decir, parece
que corre en una sola dirección. En 1994, Shahen
Hacyan concluía que la dirección del tiempo es una
propiedad “exclusivamente” estadística. Esto es así
porque los cuerpos macroscópicos evolucionan en
una sola dirección en el tiempo, “las moléculas y los
átomos no distinguen entre pasado y futuro”.
Una de las propiedades estadísticas de la
naturaleza es la “entropía”, que es una medida del
desorden de un sistema. La entropía está
directamente relacionada con la dirección del
tiempo. De acuerdo a la segunda ley de la
termodinámica, la entropía total de un sistema
siempre aumenta con el tiempo. Sin embargo, esta
ley estadística solo tiene sentido cuando se aplica a
conjuntos muy grandes de moléculas aisladas del
resto del universo. A nivel cuántico no ocurre la
asimetría entre pasado y futuro, esto es, los
fenómenos cuánticos satisfacen la simetría T. Sin
embargo, la dirección del tiempo no está resuelta a
nivel microscópico.
Así pues, se tienen tres simetrías
fundamentales: C, P y T. las dos primeras no son
simetrías válidas pero una combinación de ellas sí
lo es. De hecho, se puede demostrar que cualquier
fenómeno físico, independientemente de la clase de
interacción, debe satisfacer una combinación de
simetrías. A nivel cuántico no existe una dirección
privilegiada del tiempo pero, el problema del
sentido del tiempo, no está resuelto.
De acuerdo al teorema CPT cualquier teoría
que obedezca a la mecánica cuántica y a la
relatividad debe poseer siempre una simetría
combinada. Pero, si se invierte la dirección del
tiempo, las leyes de la física tendrían que cambiar
pues, a gran escala, el universo en expansión no
posee la simetría T. Cuando el tiempo avanza, el
universo se expande; si el tiempo retrocediera, el
universo se contraería.
Modelo estándar de las partículas elementales. a ) tres generaciones de quarks
(d, u, s, c, b, t) y leptones (electrón, muón y tauón, con sus neutrinos),
b) bosones de norma: fotón, W+, W-, Z0 y gluón,
c) partícula (campo) de Higgs
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Diagramas de Feynman que describen las cuatro interacciones
fundamentales de la naturaleza
4. Cosmología física
4.1 Universo de quarks
A gran escala del universo parece gobernar la teoría
de la relatividad general de Einstein. En este caso,
no se tiene en cuenta el “principio de
incertidumbre” de la mecánica cuántica. Esto es
consistente con las observaciones para campos
débiles. Pero, tratándose de campos gravitacionales
intensos, como el Big Bang y los agujeros negros,
los efectos cuánticos son importantes. Sin embargo,
no se tiene una teoría que unifique a la mecánica
cuántica con la relatividad.
Usando la dualidad onda-partícula, todo el
universo, incluyendo la luz y la gravedad pueden ser
descritos en términos de partículas.
El universo observable que conocemos
actualmente es muy vasto, lleno de estrellas,
galaxias y otros objetos. Desde hace cien años se
sabe que el universo está en expansión y,
recientemente, se considera que también está en
aceleración.
La materia visible, luminosa, en el universo
se considera de apenas el 0.4% del total, siendo la
materia bariónica del 3.6%, la mayor parte del
universo no se ve, 23% es de materia oscura y 73%
de energía oscura sin que, en ambos casos, se
conozca su naturaleza.
La materia bariónica está hecha de protones
y neutrones, es decir, de quarks. De manera que, el
universo observable está formado por quarks. Un
caso conocido son las estrellas de quarks, que son
parte de las estrellas de neutrones formadas por la
explosión de las supernovas a partir de estrellas
masivas evolucionadas. El remanente de la
explosión es una nebulosa con una estrella central
de neutrones compacta y de alta densidad que emite
ondas de radio.
La energía que hace brillar a las estrellas
ocurre por reacciones de fusión termonuclear a base
de átomos de hidrógeno y helio, es decir, electrones
y quarks. En suma, el universo visible está hecho de
quarks, electrones y campos, y podría contener más
quarks que antiquarks.
De hecho, el universo muy temprano estuvo
hecho de quarks y electrones, a partir de los cuales
se formaron los primeros átomos.
2009 kosmos 1 (6) 14
4.2 Vacío y campo de Higgs
La consecuencia más importante de la expansión del
universo es su concentración espacial, en el pasado,
en un punto con una densidad y temperatura
infinitas. Sin embargo, la descripción del universo,
desde el punto de vista cuántico, no tiene sentido al
tiempo cero.
Al inicio de la expansión, llamado tiempo
de Planck, solo había campos de energía que
vibraban y esas vibraciones correspondían a
partículas. A ese momento, las cuatro interacciones
fundamentales de la naturaleza estaban unificadas
en una sola. Pero cuando la temperatura bajó, el
universo entró en una fase de “inflación”
exponencial liberando enormes cantidades de
energía que aceleraría la expansión del universo. La
“inflación” es un campo cuántico que separa las
interacciones fuertes de las electrodébiles. A ese
momento empezaría a funcionar el llamado
mecanismo de Higgs para formar la masa de las
partículas.
En los años 70s, para explicar la masa de
los bosones W y Z de la teoría electrodébil,
Weinberg y Salam recurrieron a la idea de Peter
Higgs, según la cual, el espacio estaría lleno de un
campo que interactúa con las partículas y genera su
masa. En el campo de Higgs la energía es cero pero
su intensidad es diferente de cero. Este es el caso
del vacío total donde el valor de energía es el
mínimo posible, es decir, cero; pero la intensidad
del campo de Higgs en el vacío no es cero.
La intensidad también es energía pero el
vacío no posee energía, entonces, la energía
asociada a la intensidad está en forma de la masa
que adquieren las partículas W y Z.
La energía del campo de Higgs depende de
la temperatura. Para las interacciones débiles la
temperatura crítica es muy elevada, similar a la
existente en el universo temprano. Se estima que a
la temperatura crítica se produjo un cambio de fase
y por debajo de esa temperatura el campo de Higss
generó las masas de las partículas.
Como todo campo cuántico, el de Higgs
vibra y sus vibraciones son ondas y partículas a la
vez. Las vibraciones del campo de Higgs son
partículas tipo bosones, mismos que no han sido
descubiertos. En el gran acelerador colisionador de
hadrones (LHC) del CERN de Suiza está en
desarrollo un conjunto de experimentos para
detectar al campo de Higgs.
Se considera que un mecanismo como éste
podría explicar la masa de todas las partículas. Esto
significaría que el espacio estaría lleno de muchos
campos de Higgs y el estado de mínima energía, el
vacío, tendría una intensidad tal que generaría la
masa de todas las partículas.
En la física clásica, el vacío se considera
como la ausencia de todo pero, cuánticamente, la
situación es diferente. Es espacio está lleno de
campos, los cuales vibran y tienen fluctuaciones
porque nunca están en reposo absoluto. Esto es
congruente con el principio de incertidumbre de
Heisenberg el cual impone condiciones inherentes a
la naturaleza. Una partícula no puede estar en
reposo absoluto, ya que, implicaría que estuviera
presente en todas partes del universo, pues la
incertidumbre en su posición sería infinita.
Este principio también se aplica a los
campos y, a las fluctuaciones cuánticas, que se
pueden interpretar como partículas que se crean y
destruyen en tiempos muy breves, son indetectables
y se les conoce como partículas virtuales que
producen efectos reales. La creación y aniquilación
de partículas implican cambios de energía,
modulados por el principio de incertidumbre de
Heisenberg.
Este mar de partículas virtuales tiene la
propiedad de que la suma de los términos masaenergía y presión es negativa. Consecuentemente,
habría atracción a escalas cortas y una repulsión a
escalas largas, si bien, no se sabe como tratar a la
energía del vacío en el marco de la teoría de la
relatividad general.
Pero el vacío cuántico podría tener efectos
cosmológicos importantes para explicar la
aceleración de la expansión del universo; también
podría estar relacionado con la materia oscura. La
expansión acelerada del universo se ha observado y
podría estar generada por una gravedad repulsiva.
El potencial del campo de Higgs
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4.3 Materia y energía oscura
En muchos sistemas astrofísicos la masa inferida de
las estrellas luminosas no es suficiente para explicar
la dinámica del objeto, debe adicionarse materia
cuya presencia solamente es revelada por efectos
gravitacionales, por ejemplo, en los movimientos
orbitales de las galaxias en cúmulos o en la rotación
de galaxias espirales.
Por ello, se ha postulado la existencia de
una forma de “materia oscura”. De hecho la mayor
parte de la masa en el universo consiste de esta
materia cuya naturaleza física no se conoce. Cuando
los constituyentes de la materia oscura se mueven a
velocidades menores a la de la luz se llama materia
oscura fría. Los candidatos para la materia oscura
incluyen a un con junto de partículas elementales,
aún no descubiertas, llamadas “partículas masivas
débilmente interactuantes” (WIMPs). Entre otras, se
han propuesto al neutralino supersimétrico, también
a las partículas llamadas “Q-balls” y, el llamado
campo escalar “oscilatón”.
Asimismo, se piensa que una proporción
importante del universo está constituida por
“energía oscura”, cuya naturaleza también se
desconoce. Esta energía sería la responsable de la
aceleración del universo y, probablemente, pudiera
explicarse a partir del vacío cuántico.
Epílogo
Entre las teorías alternas al Big Bang, desde hace 30
años, se propuso la teoría de cuerdas cósmicas como
una teoría matemática de once dimensiones, de las
cuales solo podemos percibir cuatro, para explicar a
cada partícula elemental como la vibración de una
cuerda de tamaño subatómico. Sin embargo, esta
teoría no está probada.
En suma, el mundo que conocemos está
hecho de campos de materia, cuyos cuantos se
llaman fermiones (quarks y electrones), y campos
de fuerza (fotones, gluones, etc.) cuyos campos se
llaman bosones. Estos campos son los ladrillos que
forman al universo observable visible, incluyendo a
los seres vivos.
La vida es la forma viva de la materia y está
hecha de estos ladrillos formando estructuras
altamente organizadas cuya dinámica no
comprendemos cabalmente.
Referencias
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•
•
•
Alcubierre M., Siddhartha F., Matos T. et al. 2002, [arXiv: astro-ph/0204307v1].
Caro T.L. 1999, De la Naturaleza de las Cosas, Biblioteca virtual Miguel de Cervantes, en
www.cervantesvirtual.com
Doncei M.G. 2002, La Revolución Cuántica: Nueva Visión en Física y en Filosofía, en Física Cuántica y
Realidad, C. Mataix y A. Rivadula (eds), U. Complutense, p.17.
Fernandez-Rañada A. 2002, La Mecánica Cuántica y el Espacio Vacío, en Física Cuántica y Realidad,
C. Mataix y A. Rivadula (eds), U. Complutense, p.315.
Fernández R., Ramón M. 2003, Partículas Elementales, FCE.
Hacyan S. 1994, Del Universo Cuántico al Universo en Expansión, FCE.
Hawking S. 1996, Historia del Tiempo, Crítica.
Información general, en es.wikipedia.org
Mataix C., Rivadulla A. (eds.) 2002, Física Cuántica y Realidad, U. Complutense.
Kane G. 1987, Modern Elementary Particle Physics, Addison-Wesley.
Resnick R. 1981, Conceptos de Relatividad y Teoría Cuántica, Limusa.
* doctor en física teórica, astronomía y astrofísica.
2009 kosmos 1 (6) 16
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