El Modelo Estándar

La mejor explicación que se tiene acerca de las partículas subatómicas es lo que se conoce como Modelo Estándar que fue formulado entre 1970 y 1973 y aunque no contempla la fuerza gravitatoria, es consistente con la Mecánica Cuántica y la Teoría Especial de la Relatividad para explicar en lenguaje matemático cómo la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil a través de partículas portadoras interaccionan con las más de 200 partículas que constituyen la materia.
Las propiedades que caracterizan a las partículas son: masa, carga eléctrica, espín y carga de color. En las partículas compuestas los valores de estas propiedades se obtienen sumando los valores de las partículas que las componen.
Tanto las partículas elementales como las compuestas se dividen en dos categorías en función de su comportamiento ante el Principio de Exclusión de Pauli, que establece que no puede haber dos partículas en el mismo estado cuántico:

• Fermiones, que cumplen el Principio de Exclusión. Son partículas que tienen espín semientero como los protones, los neutrones y los electrones, los tres tipos de partículas subatómicas que constituyen la materia ordinaria. El principio de exclusión de Pauli rige muchas de las características distintivas de la materia. Quizás la consecuencia más notable es que en un átomo multielectrónico, nunca puede existir más de un electrón en cada estado cuántico. Esto permite entender las propiedades de los elementos químicos que se expresan en la Tabla Periódica.
• Bosones, que no cumplen el Principio de Exclusión. Son partículas que tienen espín entero como el fotón y el (hipotético) gravitón.  Debido a esto, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuántico haciendo posible la existencia de los láseres de fotones (pero no los láseres de  electrones).

De los dos centenares de partículas que se describen en el modelo, sólo hay 17 partículas elementales:

• 12 que pertenecen a la categoría de los fermiones y son 6 quarks y 6 leptones.
• 5 que pertenecen a la categoría de los bosones. 4 bosones portadores de las fuerzas elementales y el bosón de Higgs que es la que interaccionando con todas las demás partículas les proporciona la masa.

El resto de las partículas que se describen en el modelo son partículas compuestas. Entre las partículas compuestas están los protones y neutrones que antes se consideraban como elementales.
El Modelo Estándar necesita la hipótesis de la partícula de Higgs, que aún no a sido observado, para explicar la masa de las partículas pero no tiene explicación a la falta de masa del fotón. Por estas razones, a pesar de sus méritos, el Modelo Estándar está considerada como una teoría parcial que habrá que modificar o sustituir en el futuro.

Juan Rojas

¿ De qué está hecha la materia ?

El espíritu científico del hombre se ha desarrollado, por curiosidad o por interés, a través del deseo de conocer de qué está hecha a materia que constituye el mundo en que vivimos.
Desde el siglo V a.C. la respuesta es que el mundo está hecho de átomos. Fueron los filósofos griegos  Leucippo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera quienes originaron la filosofía atómica, introduciendo la noción de un constituyente último de la materia, que denominaron átomo (es decir, indivisible en la lengua griega). Demócrito creía que los átomos eran uniformes, sólidos, duros, incompresibles e indestructibles y que se movían en número infinito por el espacio vacío; según sus ideas, las diferencias de forma y tamaño de los átomos determinaban las propiedades de la materia.
Sin embargo, no se generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la realidad, ya que, como proponían estos pensadores, la materia no podía dividirse indefinidamente, por lo que debía existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean.
El primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1808 por John Dalton, quien todavía  imaginaba a los átomos como diminutas esferas.
El químico ruso Dmítri Ivánovich Mendeléyev creó en 1869 una clasificación de los elementos químicos en orden creciente de su masa atómica, remarcando que existía una periodicidad en las propiedades químicas.
Fueron necesarios más de 2000 años antes que los físicos modernos comprendieran que el átomo es divisible, y que no es ni duro, ni sólido, ni inmutable. Desde comienzos del siglo XX se sabe que el centenar de átomos diferentes que constituyen la materia conocida están compuestos de otros constituyentes más elementales organizados en un núcleo y una corteza. Que el núcleo lo forman protones (descubiertos en 1918 por Rutherford) y neutrones (descubiertos por Chadwick en 1932). Y que la corteza está compuesta por  electrones (descubiertos por Thomson en 1897). En esas fechas se volvió a pensar que protones, neutrones y electrones eran realmente los constituyentes últimos de la materia.
Desde esas fechas, los científicos han seguido investigando cuáles son los constituyentes más elementales de la materia que se compone el universo y cómo esos constituyentes se mantienen juntos. Es decir, cuales son "los ladrillos" y "el cemento" de este edificio que es el universo en el que vivimos.
La búsqueda de respuestas a estas preguntas ha requerido la construcción de gigantescos aceleradores de partículas y ha significado una de las aventuras intelectuales más importantes del siglo XX. Para ello hubo que apartarse de la Mecánica Clásica de Newton y construir los tres pilares básicos de la física moderna:

• la Mecánica Cuántica
• la Teoría de la Relatividad Especial (espaciotiempo)
• la Teoría de la Relatividad General (gravitación)

Con todo este bagaje se ha llegado a la conclusión de que protones y neutrones estaban a su vez formados por otras partículas mas elementales que se han denominado quarks. Hay 6 tipos de quarks que reciben los nombres de: arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo. Pues bien, el protón esta constituido por dos quarks arriba y un quark  abajo y el neutrón por dos quarks abajo y un quark arriba.
En cambio, los electrones si se han confirmado como constituyentes elementales de la materia. Pero se han encontrado otras partículas elementales que guardan una cierta analogía con los electrones, denominados neutrinos. A este grupo de electrones y neutrinos se le denominan leptones.
En resumen, el estado actual de los conocimientos nos permiten afirmar que:

• "los ladrillos" con los que está hecha toda la materia que conocemos son un reducido número de partículas  elementales denominados quarks y leptones.
• y que "el cemento" que une esas partículas consiste en cuatro fuerzas elementales, que sorprendentemente actúan mediante el intercambio de otras partículas elementales denominadas bosones que transportan dichas fuerzas. Los bosones están compuestos por un quark y un antiquark.

Las 4 fuerzas elementales citadas son:

• La fuerza gravitacional, que es una fuerza atractiva de baja intensidad (relativa) pero de largo alcance que conforma la estructura del universo. La gravedad nos mantiene a todos pegados a La Tierra, La Tierra girando alrededor del Sol y el Sistema Solar girando alrededor de la galaxia. El bosón que transporta esta fuerza es una partícula hipotética (todavía no se ha encontrado) denominada gravitón.
• La fuerza electromagnética, que es una fuerza atractiva o repulsiva de muy alta intensidad y de largo alcance que mantiene a los electrones alrededor del núcleo, produce los efectos electrostáticos, las corrientes eléctricas y los atracciones magnéticas y causa la propagación de las ondas electromagnéticas alrededor de La Tierra y a través de todo el universo. El bosón que transmite la fuerza electromagnética es el fotón.
• La fuerza nuclear fuerte, que es una fuerza de alta intensidad y muy corto alcance que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones y a estos los mantiene unidos dentro de los núcleos atómicos. El bosón que transporta la fuerza nuclear fuerte recibe el nombre de gluón.
• La fuerza nuclear débil, que es una fuerza de poca intensidad y muy corto alcance que causa la desintegración de los núcleos radiactivos en los que un protón se convierte en un neutrón o viceversa. Esta fuerza se transmite por tres bosones denominados W⁺,W^- y Z.

Las dos primeras fuerzas (gravedad y electromagnética) se observan macroscópicamente por lo que tenemos de ellas una percepción sensorial. Las otras dos, interacciones nucleares, como sus nombres indican no son directamente observables porque solo actúan dentro de los núcleos atómicos o entre las partículas subatómicas.

Juan Rojas

De qué está hecho el universo

El desarrollo de la espectroscopía astronómica permitió averiguar que los demás planetas, estrellas, galaxias y el material interestelar que se podía observar con los telescopios estaban compuestos por el mismo centenar de átomos que se habían descubierto en La Tierra. Curiosamente, por medio de la espectrografía, en 1868, el helio se descubrió en el Sol antes de encontrarlo en La Tierra.
Así, a principios del siglo XX los científicos pudieron afirmar con satisfacción que el universo estaba compuesto de materia y energía. Una materia como la que existe en La Tierra y una energía electromagnética emitida por las estrellas igual que ocurre en el Sol.
Pero en el último cuarto del siglo XX dos grandes sorpresas astronómicas cambiaron el panorama por completo.

• En 1975 las mediciones detalladas de las velocidades de rotación de las galaxias demostraron que debía de haber una materia de naturaleza desconocida para justificar la distribución de velocidades observadas. A esa materia se le denominó materia oscura.
• Posteriormente, en 1998 las mediciones del corrimiento hacia el rojo de las supernovas lejanas tipo Ia llevaron a la sorprendente conclusión de que el universo se expande aceleradamente. Para explicar esta situación los científicos se han visto obligados a introducir la hipótesis de que todo el universo está lleno de una energía desconocida asociada al vacío a la que se ha denominado energía oscura. Se estima que llena todo el espacio con una densidad de 10⁻²⁹ gramos por cm³. (La energía se expresa aquí en gramos porque de acuerdo con la teoría de la relatividad, los conceptos de masa y energía son equivalentes e intercambiables y se relacionan mediante la ecuación E = mc²).

Después de estas dos sorpresas hemos pasado de creer que conocíamos la composición del universo a admitir que sólo sabemos la composición de una ínfima parte de él. De modo que, tal como actualmente se concibe:

• El 26% del universo es materia, que se distribuye así:

• un 4% del total es materia ordinaria tal como la conocemos en La Tierra (aunque la mayoría de ese 4% esta constituyendo el gas intergaláctico).
• un 22% del total es materia oscura.

• El restante 74% del universo es energía oscura.

Juan Rojas

¿Por qué existimos?

Esta es una pregunta muy antigua que el hombre ha tratado de resolver paso a paso. Cada vez que ha encontrado una respuesta, la propia respuesta le ha llevado a otra pregunta más general, pero que requiere más conocimientos y una mente más ejercitada para concebir su formulación.

En su forma más primitiva, el hombre reflexiona sobre sí mismo y sobre toda la humanidad, se maravilla de su inteligencia y se formula la pregunta ¿por qué existimos los hombres?.
La respuesta llega en 1859 con Darwin. Los hombres estamos aquí como resultado de la evolución de los seres vivos en La Tierra a lo largo de mil millones de años. Nuestra inteligencia no es más que el resultado del funcionamiento de un órgano: el cerebro. El éxito evolutivo de nuestra especie se ha debido al desarrollo de ese órgano en la línea de ser capaz manejar cada vez más información simbólica y el resultado es eso que llamamos inteligencia.
En una segunda fase, el hombre acepta su origen evolutivo a partir de los animales superiores, se maravilla de la variedad de seres vivos existentes y la forma en que se adaptan a todos los ambientes del planeta y se pregunta ¿por qué existen los seres vivos?.
La respuesta llega a mediados del siglo XX con los avances de la biología. Los seres vivos son la consecuencia natural de un lento proceso que ocurrió en La Tierra a largo de tres mil quinientos millones de años. En el cuál, gracias a la composición existente y a las condiciones ambientales del planeta, bajo la acción de los principios de la termodinámica, la materia inorgánica se organizó en moléculas autoreplicantes que fueron ganado en complejidad a base de asociaciones de distintas moléculas, hasta que esa materia inorgánica adquirió las capacidades metabólicas y reproductivas que llamamos vida. A partir de ahí, la actuación de la evolución a lo largo de otros mil millones de años fue diversificando la vida inicial hasta la variedad de formas que existen actualmente.
En una tercera fase, el hombre acepta el origen natural de la vida y reflexiona sobre las condiciones ambientales tan idóneas que han existido en este planeta durante miles de millones de años para que la vida haya podido surgir y desarrollarse. Analiza el planeta con ojos críticos, su composición, su atmósfera, sus océanos, sus continentes, etc y se pregunta ¿por qué existe el planeta Tierra?.
La respuesta llega en la primera mitad del siglo XX de manos de la astronomía. El universo tiene 13.700 millones de años y está compuesto por unos cien mil millones de galaxias y cada una tiene unos cien mil millones de estrellas. Los planetas no son más que polvo de estrellas, es decir, aglomeraciones de materia reunida por la gravedad alrededor de una estrella en formación. Esa materia eran los restos de otra estrella de una generación anterior que al acabar su combustible explotó y lanzó al espacio los átomos que había sintetizado. Y en esa inmensa cantidad de planetas y a lo largo de tantísimo tiempo, por la ley de los grandes números, era inevitable que algunos adquirieran las condiciones que se han dado en La Tierra a lo largo de los cuatro mil quinientos millones de años de su existencia. En otros muchos planetas, la inmensa mayoría, no se han dado las condiciones de vida inteligente y por eso en ellos no hay quién se haga esta pregunta.
En una cuarta fase, el hombre acepta la explicación sobre el origen de La Tierra y entonces reflexiona sobre el universo que la ha producido. Se da cuenta del hecho de que las constantes de nuestro universo (las propiedades de las partículas y de las fuerzas elementales) parecen estar ajustadas con toda exactitud para permitir que se hayan formado átomos, estrellas, galaxias, y finalmente planetas como La Tierra y se maravilla de que esto sea así, teniendo en cuenta que mínimas variaciones de esas constantes habrían impedido la existencia de planetas capaces de albergar vida y entonces se pregunta ¿por qué existe el universo?.
La respuesta llega al final del siglo XX desde la Teoría M. Nuestro universo no es sino uno más del increíblemente grande número de universos que existen dentro de lo que se ha llamado el Multiverso. Cada universo tiene diferentes valores de sus constantes (características de las partículas y las fuerzas elementales) que le dan la posibilidad de condensar o no la materia, formar o no formar átomos, aglutinar o no aglutinar estrellas, galaxias, etc. Y en esa inmensa cantidad de universos, por la ley de los grandes números, era inevitable que alguno reuniera las condiciones que hoy observamos en nuestro universo. Como en la pregunta anterior, en la inmensa mayoría de los universos las constantes tendrán unos valores que impedirán que se formen planetas capaces de albergar vida. En esos universos ningún ser puede hacerse estas preguntas.
Pero, ¿Por qué hay algo en vez de nada?. Es una pregunta muy simple pero que requiere una mente muy elaborada para imaginarla. Tal vez fuera la pregunta final que se hiciera quien se ha hecho las cuatro preguntas anteriores.
Para esta pregunta me temo que no hay respuesta.

Juan Rojas

La velocidad de la luz

La luz se propaga en el vacío a la increíble velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Un dato que puede darnos idea de la enorme velocidad de que estamos hablando es que en un segundo la luz sería capaz de dar siete vueltas y media a La Tierra. Otro dato, La Luna se encuentra a 384.000 Kilómetros de La Tierra, por lo que la luz que sale de nuestro satélite tarda poco más de un segundo en llegar a nosotros.
Pero a pesar de la enorme velocidad de la luz, las distancias astronómicas son tan grandes, que se emplean unidades derivadas de la velocidad de la luz para especificar las distancias a los objetos celestes. Es decir, se definen las distancias diciendo el tiempo que tarda la luz en recorrerlas. De esta forma se dice que:

• La Luna está a 1,26 segundos-luz.
• El Sol esta a 8,33 minutos-luz.
• Plutón está a 5,48 horas-luz del Sol.
• La nave Pioneer-10 (lanzada en 1972) está a 1 dia-luz
• La estrella más próxima está a 4,3 años-luz
• El centro de nuestra galaxia está a 30.000 años-luz
• La galaxia más próxima está a 2.000.000 años-luz
• El objeto celeste más lejano conocido está a 12.000.000.000 años-luz

Pero si increíble es la magnitud de esa velocidad mucho más increíble es la propiedad fundamental que tiene y que consiste en lo siguiente. Cuando medimos la velocidad de la luz (en el vacío) nos encontramos con que siempre obtenemos el mismo resultado expresado anteriormente, es decir 300.000 Km/s, independientemente del movimiento que tenga quién haga la medición. Es decir, la medición no se verá afectada por el hecho de que, quién está midiendo la velocidad de la luz se esté acercando o alejando del lugar de dónde viene la luz. Y es independiente de la velocidad con que se acerque o se aleje de ese lugar.
Este sorprendente hecho se conoce desde finales del siglo XIX y desde entonces se ha comprobado experimentalmente infinidad de veces, en todas las circunstancias posibles y por multitud de científicos de los más diversos países. Aunque al principio trajo de cabeza a la comunidad científica de la época, hoy es un hecho totalmente aceptado desde que en 1905 Albert Einstein publicara sus primeros trabajos de la Teoría de La Relatividad Especial. Con esto corregía ciertas leyes de la física que se consideraban incuestionables desde 1687 en que las estableció Isaac Newton.
Para explicar más la rareza de esta propiedad de la luz veamos los siguientes ejemplos. Primero vamos a ver que ocurre cuando se miden velocidades de objetos normales con instrumentos también normales. Supongamos que un coche de policía que circula a 80 Km/h se cruza con otro vehículo que circula en dirección contraria a 120 Km/h. Si un poco antes de cruzarse, desde el parabrisas del coche de policía se mide con un radar la velocidad del otro vehículo, la lectura será de 200 Km/h, pues es la suma de las velocidades (80 y 120) de los vehículos que circulan en sentidos contrarios. Por el contrario, si el radar se dirige por la ventana trasera hacia un vehículo que se acerca desde atrás, también a 120 Km/h, la lectura será de 40 Km/h, que es la diferencia de las velocidades (120 y 80) de los dos vehículos que circulan en la misma dirección.
Contrastemos ahora estos resultados con los obtenidos en otra situación en la que se mide la velocidad de la luz desde una nave espacial viaja hacia una estrella. La nave va a la velocidad de 40.000 Km/s y se propone medir, desde la ventana delantera de la nave, la velocidad de la luz que viene de esa estrella. Utilizando el criterio aplicado en él radar de policía, alguien que no supiera la propiedad de la luz, podría presuponer que iba a medir 340.000 Km/s, que es la suma de los 300.000 Km/s a la que viene la luz desde la estrella y los 40.000 Km/s con que la nave se acerca a dicha estrella. Sin embargo, se encontrará con la sorpresa de que la medición dará como resultado 300.000 Km/s. Sin que esto suponga que la medición se ha hecho incorrectamente.
Si se da la vuelta al aparato de medida, y a través de la ventana trasera de la nave se midiera la velocidad de la luz que llega desde una estrella de la que se está alejando, la medición sería de nuevo 300.000 Km/s y no los 260.000 Km/s que podría suponer quién aplicara la regla de la resta (300.000 - 40.000) que se utilizó válidamente en el caso del coche de policía.
Una vez entendida y aceptada como verdadera esta propiedad de la luz, la postura de los científicos es la de enunciarla rigurosamente,  expresarla matemáticamente y extraer conclusiones. Esto es exactamente lo que hizo Albert Einstein cuando en 1905 publicó lo que se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial.
En contra de nuestra intuición y de las leyes de la física conocidas hasta ese momento (las leyes de Newton), de esta teoría se deducen cosas tan sorprendentes como que dos observadores que se muevan uno respecto a otro tendrán distintas percepciones de la longitud de los objetos, de la celeridad con que transcurre el tiempo y de la simultaneidad de los sucesos.

Y por último, otra sorprendente conclusión de la Relatividad. No hay nada en la naturaleza que pueda desplazarse a más velocidad que la luz, ni material, ni inmaterial. Ninguna nave, ningún objeto, ninguna partícula, ninguna onda, ninguna información puede viajar a más de 300.000 kilómetros por segundo. Bueno, en realidad la velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299.792 kilómetros y 458 metros por segundo, pero es costumbre redondear ese valor a la cifra exacta de 300.000 que es más fácil de recordar y de expresar.

Juan Rojas

El Principio Antrópico

El físico teórico australiano Brandon Carter (1942), que actualmente trabaja en Francia en el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), fue quién, en 1973 introdujo el principio antrópico para explicar por qué surgió la vida inteligente en el universo a pesar de que ese hecho parece del todo improbable. Este principio afirma que el universo en el que vivimos (el único que existe) ha de ser el adecuado para el desarrollo de la vida inteligente porque, de otro modo, no existiríamos para observarlo. Una variante de este principio asegura que pueden existir multitud de universos, pero que no deberíamos asombrarnos de vivir justo en el nuestro, ya que es este el que proporciona las condiciones para la existencia de vida inteligente.
El físico, cosmólogo y divulgador científico inglés Stephen W. Hawking (1942), en su libro Historia del tiempo, habla del principio antrópico aplicado al tema del origen y formación del universo y dice textualmente: "vemos el universo en la forma que es, porque nosotros existimos".
Dieter Lüst, profesor de física matemática y teoría de cuerdas en la Universidad Ludwig Maximilian y director del Instituto de Física Max Planck en su artículo ¿Es la teoría de cuerdas una ciencia? (Investigación y Ciencia, septiembre 2010) opina que el principio antrópico representa algo más que una argucia filosófica, ya que en la teoría de cuerdas soluciona dos viejos problemas de la física:
Primero. ¿Por qué las leyes físicas son las que son?
Segundo. ¿Por qué las constantes de la naturaleza parecen estar ajustadas con tanta exactitud para permitir la existencia de vida inteligente?
En ambos casos, el principio antrópico se apoya en la ley de los grandes números: en una muestra suficientemente grande tomada al azar, todo evento posible ha debido ocurrir en algún lugar. De acuerdo con esto, todas las posibles leyes de la naturaleza han cobrado forma en sus respectivos universos; sin embargo, los observadores sólo existen en los (relativamente pocos) universos favorables a la vida.
En el multiverso, el principio antrópico logra explicar el excepcional ajuste fino del que hace gala nuestro universo; es decir, el aparente "milagro" que permite nuestra existencia, a pesar de que una mínima variación de las constantes de la naturaleza habría impedido la aparición de la vida.
El gran número de combinaciones posibles en el multiverso ocasionó necesariamente que en algún universo (el nuestro) se diera la precisa combinación de constantes de la naturaleza que provocó nuestra existencia. Esta es la explicación científica alternativa a la de que nuestro universo es un fenómeno extremadamente raro por estar ajustado al milímetro (por la razón que sea) para que pueda haber vida inteligente.
Hay un considerable número de científicos (no todos) que aceptan la idea de una multitud de universos como algo que en realidad existe y fundamentan su postura en el principio antrópico.

Juan Rojas

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