ASTROFÍSICA Y FÍSICA MOLECULAR

Marina B. de 1CNS nos envía este estupendo trabajo sobre la conferencia impartida por el Dr. Angel Uranga investigador del Instituto de Física Teórica (UAM)  el  29-1-2015.
¡Muchas gracias!

ASTROFÍSICA Y FÍSICA MOLECULAR

INTRODUCCIÓN:

El pasado 29 de enero de 2015, los alumnos de primero de bachillerato de ciencias, tecnológicas y naturales, tuvimos una conferencia de iniciación a la física, desde un punto de vista astrofísico y molecular.

La física es la ciencia natural que estudia las propiedades y el comportamiento de la energía y la materia, así como al tiempo, el espacio y las interacciones de estos cuatro conceptos entre sí. La física es una de las más antiguas disciplinas académicas y la base de la mayoría de las ciencias. Además de ser una ciencia teórica, también es una ciencia experimental que busca que sus conclusiones puedan ser verificadas mediante experimentos y estos son el gran trabajo de los físicos porque, es relativamente fácil demostrar un teorema, por ejemplo, con la ciencia abstracta y exacta de las matemáticas en la que se pueden hacer muchas pruebas, mientras que demostrarlo aplicado a aspectos enormes o microscópicos es complicado.

La física está dividida en múltiples ramas o campos según lo que queramos estudiar. En esta ocasión, estudiaremos los principales de los que parte la división de los demás conocimientos: la física atómico-molecular y la astrofísica.

FÍSICA ATÓMICO MOLECULAR:

Estudia problemas relacionados con la estructura atómica de la materia y su interacción con el medio.

La materia está compuesta por átomos que desde su descubrimiento se creyó que eran la unidad mínima de materia. Posteriormente se descubrió que un átomo era divisible y estaba formado por protones, electrones y neutrones. Todos estos a su vez también están formados por partículas más pequeñas los quarks, que son las unidades mínimas que se conocen pero, como la ciencia está en continuo avance, en poco tiempo descubriremos si hay más tras estas partículas.

PROTONES, NEUTRONES Y ELECTRONES:

è Los PROTONES son partículas subatómicas con carga eléctrica fundamental positiva. El protón se considera estable y junto con el neutrón recibe el nombre de nucleoide, ya que ambos forman parte del núcleo del átomo. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) es un único protón. Los núcleos de otros átomos están compuestos de nucleones unidos por la fuerza nuclear fuerte. El número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. Los protones están clasificados como bariones y se componen de dos quarks arriba y un quark abajo, los cuales también están unidos por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. El equivalente en antimateria del protón es el antiprotón, el cual tiene la misma magnitud de carga que el protón, pero de signo contrario.

è Los NEUTRONES son partículas subatómicas sin carga, es decir, con carga neutra. Son más inestables que los protones y tienen masas similares. El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos (la única excepción es el hidrógeno), ya que interactúa fuertemente atrayéndose con los protones, pero sin repulsión electrostática.

è Los ELECTRONES son partículas subatómicas con carga negativa. En un átomo los electrones rodean el núcleo atómico, compuesto fundamentalmente de protones y neutrones. Los electrones tienen una masa pequeña respecto al protón, y su movimiento genera corriente eléctrica en la mayoría de los metales. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química ya que definen las atracciones con otros átomos.

QUARKS:

 Son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones.

Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. 

Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:

·         up (arriba)

·         down (abajo)

·         charm (encanto)

·         strange (extraño)

·         top (cima) y

·         bottom (fondo).

Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica.

ASTROFÍSICA:

El término astrofísica se refiere al desarrollo y estudio de la física del universo.

Una vez que se comprendió que los elementos que forman parte de los "objetos celestes" eran los mismos que conforman la Tierra, y que las mismas leyes de la física se aplican a ellos, había nacido la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía. La astrofísica se basa pues en la asunción de que las leyes de la Física y la química son universales, es decir, que son las mismas en todo el universo.

EL ORIGEN DEL UNIVERSO:

La teoría más aceptada es la del Big Bang: el Big Bang constituye el momento en el que de la nada emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia hasta ese momento era un punto de densidad infintita que en un momento dado ‘explotó’ generando la expansión de materia en todas las direcciones. Ese momento se conoce como ‘Tiempo cero’. Despues, se produjo la inflación, el Universo duplicó su tamaño por la explosión de las partículas subatómicas (de las habladas anteriormente) conocidas como la radiación primordial, de ahí que todo esté formado de esas partículas. Mientras se expandía la materia se formaron los primeros átomos de He e H, por eso son los más simples y abundantes. Finalmente, se formaron las galaxias unos 300ma después de la explosión, estas solo estaban constituidas por H y He pero en los núcleos de grandes estrellas se empezaron a formar elementos como el carbono.

DESCUBRIMIENTOS IMPORTANTES PARA ESTOS CAMPOS:

ACELERADOR DE PARTÍCULAS (LHC):

El Gran Colisionador de Hadrones, es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) .

El LHC se encuentra cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de protones, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos. Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

 El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa un túnel de 27 km de circunferencia y muchos físicos y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “partícula de la masa”. La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda.

BOSÓN DE HIGGS:

El bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula elemental propuesta en el Modelo estándar de física de partículas. Recibe su nombre en honor a Peter Higgs quien, junto con otros, propuso en 1964 el hoy llamado mecanismo de Higgs para explicar el origen de la masa de las partículas elementales.

 El Bosón de Higgs constituye el cuanto del campo de Higgs, (la más pequeña excitación posible de este campo). Según el modelo propuesto, no posee espín, carga eléctrica o color, es muy inestable y se desintegra rápidamente, su vida media es del orden del zeptosegundo. 

La existencia del bosón de Higgs y del campo de Higgs asociado serían el más simple de varios métodos del Modelo estándar de física de partículas que intentan explicar la razón de la existencia de masa en las partículas elementales. Esta teoría sugiere que un campo impregna todo el espacio, y que las partículas elementales que interactúan con él adquieren masa, mientras que las que no interactúan con él, no la tienen. 

*El 4 de julio de 2012, el CERN anunció la observación de una nueva partícula «consistente con el bosón de Higgs», pero se necesitaría más tiempo y datos para confirmarlo. 

DUDAS Y PREGUNTAS  QUE SURGIERON:

¿PUEDE UN AGUJERO NEGRO SER LA ENTRADA A OTRO UNIVERSO?

Cuando una estrella supergigante roja explota, arroja materia al exterior, de modo que acaba siendo de un tamaño inferior y se convierte en una estrella de neutrones. Pero también puede suceder que se comprima tanto que absorba su propia energía en su interior y desaparezca dejando un agujero negro en el lugar que ocupaba. Este agujero tendría una gravedad tan grande que ni siquiera la radiación electromagnética podría escapar de su interior. La luz traspasaría esta frontera para entrar, pero no podría salir, por lo que el agujero visto desde grandes distancias debería ser completamente negro. Dentro del agujero, los astrofísicos conjeturan que se forma una especie de cono sin fondo con un ‘tubo de gusano’ que podría desembocar en otra región del espacio totalmente distinta. Para atravesar un agujero negro habría que tener una velocidad mayor a la velocidad de la luz y de momento no se han encontrado ningunas partículas con esas características. Además, salir de un agujero negro sería muy difícil dado que emite grandes radiaciones que son terriblemente letales.

¿SI SE ENCUENTRAN PARTÍCULAS MÁS RÁPIDAS QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ, SE PODRÍA VIAJAR EN EL TIEMPO?

Esta es una pregunta muy confusa y de la que se interpreta la respuesta puesto que parece prácticamente imposible ya que, tal y como dijo Einstein, si se encuentran se podría viajar en el tiempo. Aplicando los conceptos, tal y como conocemos pero más interpretamos el Universo, sí que podríamos viajar pero tan solo hacia el futuro y no podríamos volver de nuevo al tiempo en el que nos fuimos ya que cuando estuviésemos de vuelta, el pasado sería el futuro al que hemos ido. Esta puede ser una interpretación pero como en todos los campos de la ciencia, demostrar lo abstracto es muy complicado.

CONCLUSIÓN FINAL:

Ha sido una conferencia muy interesante. Una pequeña introducción a la física y sus aplicaciones que nos da tanto que pensar y tanto de lo que dudar ya que continuamente se están descubriendo cosas nuevas y negando las anteriores con lo cual, el avance es muy pequeño, tanto como lo que somos nosotros comparado con la cantidad de ‘mundo’ inexplorable, de momento. La curiosidad del hombre por descubrir y saber qué somos, de dónde venimos, por qué estamos aquí… es lo que fomenta esta búsqueda, los descubrimientos y la invención de artilugios para obtener respuestas. Quizá después de muchos miles de años consigamos saber más pero los conocimientos completos son inalcanzables: si todo es divisible (materia, tiempo) y todo infinito. Con lo cual habrá que conformarse pensando que somos el ahora, estamos aquí, venimos de allí y el tiempo es el momento.