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fisica

La dilatación del tiempo (velocidad)

Escrito por Enunlugarenelcosmos 30-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La cuestión que planteamos es si el reloj de luz que esta en movimiento hará el tic-tac más lento que otro que está inmóvil.

Para ver esto, observaremos tranquilamente el paso del tiempo o el tic-tac del reloj inmóvil que tiene en las manos en nuestro gif Einstein, en relación al que está en movimiento en las manos de Lorentz.

Para responder a esta pregunta, observaremos desde nuestra perspectiva, el camino que recorrerá el fotón en movimiento que sostiene Lorentz. Al estar en movimiento el fotón, debe desplazarse con un cierto ángulo de inclinación como puede observarse en el gif, ya que si el fotón no viajara en esa trayectoria no chocaría con el espejo y se perdería en el espacio. De acuerdo con la relatividad, Lorentz podría afirmar que él esta inmóvil y son los demás lo que se encuentran en movimiento, sabemos que el fotón chocará con el espejo superior y, por lo tanto que nuestra trayectoria es correcta.

La cuestión, sencilla pero esencial, es que la doble trayectoria en diagonal del reloj en movimiento que tiene Lorentz, es más larga que el que está inmóvil en manos de Einstein, por lo tanto ambos tic-tac o intervalos no son idénticos, como he dicho antes el reloj de Lorentz no sólo debe desplazarse de arriba a abajo sino que además también lo hace hacia la derecha, desde nuestra perspectiva. El hecho de que la velocidad de la luz sea constante no dice que el fotón del reloj de lorentz viaja a la misma velocidad que el reloj inmóvil que tiene Einstein. Pero a diferencia de el reloj Einstein, el de Lorentz al recorrer mayor distancia hará tic-tac con una menor frecuencia que el de Einstein.

Este sencillo gif nos muestra que el reloj en movimiento su intervalo de tiempo es más corto que el que esta en reposo. Como la velocidad de ambos fotones es constante, el número de tic-tac refleja directamente cuánto tiempo ha transcurrido, vemos que el paso del tiempo del reloj en movimiento se ha vuelto más lento. A su vez esto depende de la velocidad que se mueva el reloj en movimiento con relación al observador inmóvil, la velocidad de los tics-tacs del reloj que se desplaza, se vuelve cada vez más lento a medida que la velocidad aumenta. Este efecto pasa desapercibido en la vida cotidiana debido a que nosotros nos movemos a velocidades relativamente lentas los unos de los otros, por eso que estos efectos de dilatación de tiempo sean increíblemente pequeños pero han sido medidos.


http://k30.kn3.net/C/1/E/7/1/0/15B.gif


Protones características

Escrito por Enunlugarenelcosmos 29-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) está formado por un único protón. Al tener igual carga, los protones se repelen entre sí. Sin embargo, pueden estar agrupados por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de la fuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos de Uranio), la repulsión electromagnética puede desintegrarlo progresivamente.

Los protones no se consideran partículas elementales, sino partículas compuestas por tres partículas elementales de espín ½, dos quarks arriba y un quark abajo, las cuales también están unidas por la fuerza nuclear fuerte mediada por gluones. La masa de estos tres quarks sólo supone un 1% de la masa del protón. El resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y los pares quark-antiquark que los rodean. La evidencia de que el protón no era una partícula elemental sino compuesta proviene de experimentos realizados durante los años 1970 que dieron lugar al modelo de partones, después reformulado dentro de la cromodinámica cuántica.

Los quarks tienen una propiedad llamada libertad asintótica, una interacción que se debilitan progresivamente a distancias menores, es decir, a escalas de longitud que convergen asintóticamente a cero.

Los gluones son los bosones portadores de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que además de transmitir la interacción fuerte también la sufre.
La carga de color no tiene que ver nada con los colores visibles usuales, sino que simplemente son una forma de llamar y diferenciar los diferentes tipos de una magnitud física asociada a los quarks. La carga de color de un quark puede tener tres valores diferentes: rojo, verde, o azul; y un antiquark puede tener tres "anticolores" diferentes, en ocasiones llamados antirrojo", antiverde y antiazul.

El antiprotón es la antipartícula del protón. Se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve.




Celda galvánica

Escrito por Enunlugarenelcosmos 17-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

Una celda galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox, escrita simbólicamente en el sentido de la reducción como:
M n+ (especie oxidada) + n e- __ M (especie reducida)

El número de electrones transferidos en ambas direcciones debe ser el mismo; así las dos semipilas se combinan para dar la reacción electroquímica global de la celda.

El voltaje de la pila galvánica es la suma de los potenciales de las dos semipilas. Se mide conectando un voltímetro a los dos electrodos. El voltímetro tiene una resistencia muy alta, por lo que el flujo de corriente es realmente insignificante. Cuando un dispositivo como un motor eléctrico se conecta a los electrodos fluye una corriente eléctrica y las reacciones redox se producen en ambas semipilas. Esto continuará hasta que la concentración de los cationes que se reducen se aproxime a cero.

Para la pila galvánica, representada en la figura, los dos metales son zinc y cobre, y las dos sales son los sulfatos del metal correspondiente. El zinc es el metal más reductor, de modo que, cuando un dispositivo se conecta a ambos electrodos, la reacción electroquímica es Zn + Cu2+__Zn2+ + Cu

El electrodo de zinc se disuelve y el cobre se deposita en el electrodo de cobre. Por definición, el cátodo es el electrodo donde tiene lugar la reducción (ganancia de electrones), por lo que el electrodo de cobre es el cátodo. El ánodo atrae cationes, que tienen una carga positiva, por lo que el ánodo es el electrodo negativo. En este caso el cobre es el cátodo y el zinc es el ánodo.

Las celdas galvánicas se usan normalmente como fuente de energía eléctrica. Por su propia naturaleza producen corriente. Por ejemplo, una batería de plomo y ácido contiene un número de celdas galvánicas. Los dos electrodos son efectivamente plomo y óxido de plomo.





¿Cuán pequeños pueden ser los agujeros negros?

Escrito por Enunlugarenelcosmos 17-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La ecuación establecida por el físico alemán Karl Schwarzchild, fue deducida de la ecuación de la velocidad de escape, y nos da el radio de un agujero negro:

R=2GM/c^2

Donde G es la constante de gravitación universal, m la masa y c la velocidad de la luz.

Los agujeros negros son los cuerpos más masivos conocidos en el universo, y dada su masa, como he incidido antes, podemos conocer su densidad. Supongamos el caso de tener un agujero negro con una masa de unos 100 millones la masa del Sol; su radio sería aproximadamente 2 unidades astronómicas, y conocida su masa y su volumen, obtenemos una densidad de en torno a 1.800 kg/m^3, que si la comparamos con la del agua (1.000 kg/m^3) vemos que las densidades no son significativas a la hora de crear un agujero negro.
Podemos decir, al fin de cuentas, que para que se forme un agujero negro es necesaria una gran cantidad de masa.

Existe una pregunta que al planteárnosla nos revela los límites de la física fundamental: ¿se pueden interpretar las partículas elementales como agujeros negros?

El modelo estándar de partículas establece cuatro fuerzas de la naturaleza:
Electromagnética
Gravitatoria
Interacción nuclear débil
Interacción nuclear fuerte

En los agujeros negro, existe una fuerza que predomina a las demás: la gravitación. Y como ya se es bien conocido, la atracción gravitatoria en un agujero negro es superior a la velocidad de la luz.

La atracción gravitatoria es un problema a la hora de hablar de partículas pequeñas, y es que, si tomamos por referencia dos protones de misma carga y masa, la fuerza eléctrica predomina sobre la fuerza gravitatoria en un orden de 10^36. Para que la gravitación se imponga a la repulsión, la masa del protón debería ser 10^18 veces mayor que la carga.

La mera existencia de agujeros negros del tamaño de los protones incluye densidades tan altas que serían mayores que la nuclear, y la creación de dichos agujeros negro implicaría fuerzas de comprensión superiores a las interacciones nucleares fuertes, la más poderosa de todas. Este tipo de agujeros negros reciben el nombre de “primordiales”. Algunos físicos piensan que estos agujeros negros existen y contribuyen directamente de manera significativa a la conocida como materia oscura que falta para explicar el comportamiento a gran escala de las galaxias.

Consideremos ahora un electrón (partícula elemental). Los electrones, junto con los quarks, son unas de las partículas elementales más densas. ¿Podría ser un agujero negro un electrón?
La diferencia entre el electrón y el protón es que el electrón es unas 2000 veces más ligero que el protón y tienen la misma cantidad de carga absoluta. Dado a que un electrón tiene carga eléctrica, correspondería a un agujero del tipo Reissner-Nordstrom (agujero negro con carga eléctrica [se hablarán de las características de estos agujeros negros en otro artículo]), y dichos agujeros no son muy estables, pues entre sus características, incluye la singularidad desnuda, que, a efectos prácticos, es imposible desde el punto de vista físico.

El problema de nuestra interpretación que realizamos “casi sin querer” de las partículas elementales es que las imaginamos como diminutas bolitas indivisibles. 
Una energía localizada en una región del espacio se analiza como la superposición de paquetes discretos que llamamos partículas cuánticas. La propagación de dichas partículas se interpreta con una ecuación de ondas, pero si las registramos con un experimento, se registran dichas partículas como entidades discretas, de forma que sus interacciones si están localizadas en el espacio y el tiempo. El problema de estas entidades discretas es su falta de seguir, de algún modo, un patrón determinista, es decir, son completamente aleatorios. Se dice, debido a este hecho, que las partículas cuánticas fluctúan.
Cuanto más pequeña es la región del espacio en la que fluctúan las partículas, más energéticas son estas fluctuaciones. Dada la famosa ecuación de Einstein que asocia una energía a una masa, y aplicando el principio de incertidumbre de Heisenberg, podemos asociar un tamaño cuántico mínimo a cualquier partícula, que está definido como la región en la que las fluctuaciones de la partícula son significativas:

S=ħ/mc

El campo gravitacional medio de la partícula se “difumina” en la región de espacio con un tamaño S.
Deberemos comparar dicho espacio S con su tamaño gravitacional efectivo que viene dado por la expresión que antes hemos incidido en ella, el radio de Swarzchild:

R=2GM/c^2

Comparando ambas fórmulas, podemos observar a simple vista que el tamaño del espacio gravitacional efectivo R aumenta con la masa mientras que el espacio cuántico S disminuye con la masa. Se puede considerar una masa suficientemente grande como para que R sea mayor que S. Una partícula en la que el espacio R sea mayor al espacio S se comportaría como un micro agujero negro.
El límite del agujero negro sería en el que R fuese muy próxima a S. La masa de este agujero negro se correspondería a la denominada masa de Planck, cuyo valor es 10^9 veces la masa del protón.
Esta masa, en el mundo cuántico, es un valor astronómico. Tan solo, las partículas más pesadas descubiertas hasta ahora son el bosón de Higgs (125 veces la masa de protón) y el quark top (173 veces la masa del protón).

El agujero negro mínimo tendría un tamaño en el orden de 10^-33 cm, distancia conocida como longitud de Planck, y corresponde a la distancia mínima físicamente posible. Cualquier agujero negro con un radio más pequeño que la longitud de Planck ha de interpretarse como una partícula cuántica que fluctúa sobre una región mayor a dicha longitud.

Podemos comprobar que los agujeros negros y las partículas cuánticas son descripciones complementarias: una válida para masas superiores a la de Planck, y la otra para masas superiores.

Existe una rama de la física, única y puramente de especulación teórica, conocida como “gravitación cuántica” y trata de encontrar, dicho de forma sencilla, la transición entre agujeros negros y partículas elementales. Como bien hemos dicho anteriormente, estas transiciones suceden en el orden de la longitud de Planck, y nuestros laboratorios más potentes del mundo (como el Large Hadron Collider [LHC] del CERN, solo alcanzan a resolver distancias del orden de 10^-17 cm (correspondiente al tamaño cuántico del bosón de Higgs), por lo que, tal y como habíamos dicho, se trata de una rama únicamente teórica. Esta teoría es más conocida como la teoría cuántica de cuerdas, según la cual, las partículas elementales son cuerdas cuánticas que vibran en configuraciones simples a distancias un poco mayores a la longitud de Planck. Cuando la energía de estas cuerdas se corresponde a la resultante de multiplicar la masa de Planck por la velocidad de la luz en el vacío al cuadrado, se crea una configuración de cuerdas muy complicada que se comporta como un objeto con muchas partes independientes. El resultado sería un colapso gravitacional clásico de una cuerda cuántica muy compleja dando un agujero negro con la masa de Planck.

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El universo de Einstein, su gran intuición.

Escrito por Enunlugarenelcosmos 13-04-2017 en ciencia. Comentarios (0)

La aproximación de Einstein al tema de la gravitación se apoya en varias intuiciones y en diversas sugerencias que se desprenden no sólo de su propia construcción de la teoría de la relatividad especial sino de la forma en que la interpretaron otros físicos y muy en particular Minkowski.

En primer lugar la constatación de que resulta imposible distinguir entre un sistema de referencia acelerado y un sistema de referencia sometida a una fuerza gravitacional. En segundo lugar que de esta indistinguibilidad, y de las consecuencias de todo tipo que ello comporta, se infiere la igualdad entre inercia y gravitación. En tercer lugar que, de acuerdo con su interpretación de las transformaciones de Lorentz, espacio y tiempo dejan de ser entidades separadas para aparecer interconectados. En cuarto lugar que esta interconexión obligará a abandonar, como escenario en el que los fenómenos físicos se despliegan, el espacio y el tiempo como entidades separadas para sustituirlos por una entidad única a la que se denominará espacio-tiempo. Cobran, así, toda su validez las palabras de Minkowski: "Las visiones del espacio y el tiempo que quiero presentarles han emergido del sustrato de la física experimental, y en ello reside su fuerza. Son radicales. A partir de ahora el espacio por sí mismo, y el tiempo por sí mismo están condenados a desaparecer como meras sombras y sólo una cierta unión de ambos preservará una realidad independiente". En quinto lugar que la gravitación afecta al espacio-tiempo de cada “lugar” y le dicta como curvarse. Por último que, al ser el movimiento bajo la acción de un campo gravitacional independiente de la masa del objeto móvil, es lícito pensar que ese movimiento viene ligado al “lugar” y que las trayectorias líneas geodésicas vienen marcadas por la estructura del tejido espacio-temporal en el que deslizan.

La fuerza gravitacional acabaría, así, convirtiéndose en una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo del que habla Minkowski. De ahí se deduce que en este esquema no hay acción a distancia ni misteriosas tendencias a moverse hacia extraños centros , tampoco espacios absolutos que contienen a, o tiempos absolutos que discurran al margen de la materia, como proponía la leyes de la gravitación de Newton.

En palabras del gran físico John Archibald Wheeler, creador de los términos agujero de gusano, agujero negro, espuma cuántica o agujero blanco. "El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse".