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Acelerador de partículas

Como su nombre sugiere, los aceleradores de partículas son dispositivos diseñados para dotar a partículas subatómicas de velocidades muy altas, cercanas a la de la luz. Al ser tan grandes estas velocidades, la energía cinética de dichas partículas alcanza valores extremadamente elevados, lo que las hace útiles para colisiones con otras partículas o también con átomos. Los aceleradores de partículas se dirigen fundamentalmente a la investigación, en particular en el campo de la física teórica y de partículas. No obstante, sus aplicaciones derivadas son innumerables, desde la medicina hasta la obtención de energía, pasando por la desactivación de residuos nucleares y por su empleo con fines ecológicos. En lo referente a la energía, estos dispositivos se están utilizando en las investigaciones que se llevan a cabo para lograr energía de fusión controlable (de forma incontrolada, esta energía se usa en armamento nuclear). Para ello, los aceleradores producen haces de partículas con...

Antimateria

Hacia 1920, el alemán Edwin Schrödinger planteó una ley de la mecánica cuántica conocida como ecuación de onda. En su formulación permitía describir el estado de los electrones dentro de los átomos, estableciendo de manera matemática los números cuánticos n, l y m como necesarios para establecer las soluciones de dicha ecuación. Sin embargo, esta ecuación de onda no cumplía con las condiciones que exigía la teoría de la relatividad especial. Poco después, Paul Dirac halló la manera de obviar esta dificultad inspirándose en el concepto de espín. De esta manera, en 1928 propuso la ecuación que lleva su nombre, modificación de la de Schrödinger, en la que se observaba que para cada partícula había dos soluciones. Este hecho fue interpretado afirmando que para cada solución existían dos partículas, en lugar de una. Cada una de las partículas teóricas obtenidas en la ecuación de Dirac tendría la misma masa que su compañera. Sin embargo, la carga, aunque cuantitativamente igual, tendría...

Bomba atómica

Se denomina bombas atómicas a los ingenios explosivos basados en procesos nucleares. Dado que estos últimos pueden ser de fisión y de fusión, hay, correlativamente, dos clases de estas bombas. Las únicas utilizadas con fines bélicos hasta la fecha han sido de la primera clase. Las del segundo tipo, llamadas bombas de hidrógeno, forman parte de, al menos, los arsenales de los Estados Unidos y de Rusia. Las bombas de fisión poseen, como se comprobó trágicamente en Japón durante la Segunda Guerra Mundial, unos efectos devastadores. Emplean reacciones nucleares en cadena de tipo fisión, esto es, ruptura de los núcleos atómicos pesados en otros más ligeros. El material fisionable empleado son isótopos de uranio (235) y plutonio (239). Ambas clases de isótopos han de encontrarse en un elevadísimo grado de pureza, lo que en los inicios de la investigación nuclear suponía una dificultad difícil de vencer. Así, mientras que en la Alemania nazi se iniciaban trabajos para lograr bombas...

Bosones y estadística de Bose-Einstein

Reciben la denominación de bosones, nombre otorgado en honor al científico indio Satyendra Nath Bose, unas partículas de espín entero que cumplen las reglas de la llamada estadística de Bose-Einstein. Según los fundamentos de esta estadística, los bosones son partículas elementales que no verifican el principio de exclusión de Pauli, que explicita que no puede haber dos partículas de la misma clase que compartan un mismo estado cuántico. Las partículas que cumplen el principio de exclusión de Pauli se denominan fermiones y siguen las reglas de la denominada estadística de Fermi-Dirac. Un ejemplo característico de fermión es el electrón, para cuyo caso Wolfgang Pauli postuló su principio: en un átomo, no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos; por ello, en un mismo orbital atómico sólo pueden coexistir dos electrones, que han de tener espín opuesto. A diferencia de los fermiones, que son los integrantes básicos de la materia, los bosones son partículas de...

Bosón de Higgs

Partícula elemental postulada dentro del llamado modelo estándar de la física de partículas que explica el origen de la masa de las restantes partículas. El bosón de Higgs tiene carga eléctrica y espín nulos y es enormemente inestable. En los medios periodísticos sensacionalistas ha sido calificado a menudo como «la partícula divina», un término carente de sentido físico y totalmente desacreditado en los ámbitos científicos. El modelo estándar de la física de partículas ha sido propuesto como un medio de explicar las distintas manifestaciones de la energía, la materia y las interacciones que definen el mundo físico. En este modelo se distinguen dos clases de partículas: fermiones, o «partículas de materia», que son básicamente los quarks y los leptones (electrón, muón, tauón y sus neutrinos); y bosones, o «partículas mediadoras», en las interacciones físicas de la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones fuertes y débiles de escala subatómica. Todas estas partículas se...

Contador Geiger

El contador Geiger, también llamado Geiger-Müller, es un dispositivo que permite contar el paso de partículas ionizantes, esto es, correspondientes a radiaciones con un alto poder de penetración. En suma, se emplea básicamente como medidor del paso de partículas radiactivas. Los primeros detectores de este tipo de partículas, tras las películas fotosensibles, fueron unas pantallas recubiertas de sulfuro de cinc. Los átomos de estas pantallas, al recibir la incidencia de tales partículas, se excitaban, emitiendo un fotón visible. Los centelleos de estos fotones emitidos permitían contar el número de partículas, de un modo similar a las pantallas de televisión. Más tarde apareció el contador Geiger-Müller. Este dispositivo se compone de un tubo metálico en cuyo interior se dispone, concéntrica y longitudinalmente, un delgado hilo metálico. El espacio entre ambos elementos se rellena con un gas. Tubo e hilo se someten a una alta diferencia de potencial, de unos 1.000 V. Cuando una...

Criptografía cuántica

Disciplina de encriptación de mensajes de información en los canales de telecomunicaciones que utiliza las bases de la mecánica cuántica. En particular, está basada en el aprovechamiento práctico de los principios del entrelazamiento y la teleportación cuánticos. Según el concepto de entrelazamiento cuántico, una consecuencia del principio de indeterminación de Heisenberg, dos partículas con un pasado compartido (por ejemplo, a través de una colisión o por tener un origen común en un proceso) mantienen una correlación íntima, de manera que la alteración en el estado cuántico de una de ellas provoca un cambio inmediato en el estado cuántico de la segunda, aunque se encuentren situadas a una distancia considerable entre sí. Esta idea puede utilizarse en procesos de encriptación de mensajes, tal como se estableció en el primer protocolo sobre criptografía cuántica definido en 1984. En esencia, los procedimientos prácticos asociados utilizan la polarización de dos fotones mediante la...

Cámara de niebla

En el proceso de descubrimiento de las partículas atómicas y subatómicas que se inició a finales del siglo XIX y aún se prolonga, los físicos se han planteado como un objetivo importante de sus investigaciones el diseño de dispositivos que permitan detectarlas y contarlas y observar sus propiedades. Así surgieron los detectores de partículas. La cámara de niebla o cámara de Wilson es uno de estos detectores. Está especialmente indicado para la detección de radiaciones ionizantes, caracterizadas por su alto poder de penetración. En esencia, es un recipiente cilíndrico, provisto de una cámara fotográfica y un pistón, en cuyo interior se coloca una masa de aire perfectamente limpia y saturada de vapor de agua, que constituye una especie de niebla artificial. Si, mediante el pistón, se aumenta la presión, la masa de aire pasa de saturada a sobresaturada. En estas condiciones, si la atraviesa una radiación ionizante, condensa el vapor sobrante en torno a ella, con lo que dicha...

Efecto Compton

Se llama efecto Compton a un fenómeno físico de dispersión que se observa en una radiación electromagnética cuando ésta incide sobre un cuerpo de peso atómico bajo. Al estudiar, por ejemplo, un haz de rayos X monocromático que ha atravesado una región en la que existen electrones libres, se observa que a la radiación incidente se le suman otras de frecuencia menor. A esta menor frecuencia le corresponde una mayor longitud de onda. El incremento de este último parámetro, , viene condicionado por el ángulo que forme la dirección de la primitiva radiación y la de la radiación secundaria. Llamando a este ángulo, dicho incremento puede expresarse matemáticamente como:. donde k es una constante que vale 24.262 · 10-12 m. La existencia de la radiación secundaria se explica por el choque elástico entre los fotones de la radiación electromagnética y los electrones libres presentes en la región que dicha radiación atraviesa. Así aparece una desviación del fotón que, de esta manera, tendrá...

Efecto fotoeléctrico

Algunos metales, cuando sobre ellos incide un haz de luz, emiten electrones. Este fenómeno recibe el nombre genérico de efecto fotoeléctrico, y su explicación por Albert Einstein en 1905 fue uno de los episodios que desencadenaron el nacimiento de la disciplina conocida como mecánica cuántica. Para observar el efecto fotoeléctrico, basta con bombardear con luz un metal fotosensible y colocar frente a él una placa cargada positivamente, lo cual puede lograrse uniéndola al ánodo de una batería. En estas condiciones, el metal emite electrones (carga negativa), que son atraídos por la placa positiva, estableciéndose así una corriente eléctrica fácilmente detectable por algún aparato de medida (amperímetro, voltímetro, etc.). Experimentalmente, se observa que:. Para cada metal fotosensible, el efecto sólo aparece si la frecuencia de la luz incidente es igual o mayor que un cierto valor, característico del metal, llamado frecuencia umbral. La intensidad de la corriente metal-placa es...

Efecto Raman

Se conoce por efecto Raman la dispersión que aparece en una radiación monocromática cuando ésta entra en colisión con un material, cuyas moléculas experimentarán cambios energéticos al chocar con los fotones de dicha radiación. Debe su nombre a que fue detectado por el indio Chandrasekhara Venkata Raman, sobre la base de las investigaciones anteriores realizadas porJohn W. Strutt Rayleigh. Lord Rayleigh había demostrado la existencia de una dispersión debida al choque elástico de los fotones de la luz con un medio material, cuando las partículas de éste eran menores que su longitud de onda. El fenómeno es especialmente importante en los gases y justifica, entre otras cosas, el color azul del cielo despejado. Raman observó que, si bien cuando la luz incide sobre un átomo o una molécula la mayoría de los fotones experimentan choques elásticos, algunos colisionan de manera inelástica. De esta manera, se produce un cambio de frecuencia que origina que a la radiación primitiva se unan...

Energía oscura

En astrofísica y cosmología, forma de materia-energía responsable de un impulso que propende a la expansión acelerada del Universo. Según los modelos teóricos, la energía oscura actuaría a modo de una fuerza gravitacional repulsiva. La determinación de la existencia y de la naturaleza de esta forma exótica de energía constituye una de las cuestiones pendientes del modelo cosmológico físico actual. Según los cálculos experimentales, la materia ordinaria constituyente de las partículas, los átomos y las moléculas que conforman el Universo físico conocido suma apenas el 4 % de la masa total estimada del Universo. El resto se ha atribuido a dos formas de materia-energía de carácter misterioso: la materia oscura, que compondría el 23 % del total, y la energía oscura, a la que se asigna el 73 %. El concepto de energía oscura fue propuesto por primera vez en el siglo XX y se ha relacionado con el de quintaesencia y con la constante cosmológica. Esta constante fue introducida por Albert...

Entrelazamiento cuántico

Fenómeno físico en virtud del cual dos o más partículas descritas por modelos mecanocuánticos muestran una interrelación en sus comportamientos, de manera que cuando se modifica alguna propiedad de una de ellas se produce un efecto en las cualidades intrínsecas de las restantes. El concepto de entrelazamiento cuántico surgió cuando Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen plantearon una paradoja (llamada paradoja EPR) para intentar demostrar una supuesta inconsistencia de la mecánica cuántica, cuya orientación probabilística y no determinista pretendían desacreditar. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, en un entorno cuántico no es posible determinar con precisión por debajo de un cierto límite dos magnitudes conjugadas como, por ejemplo, la posición y la velocidad (o la cantidad de movimiento) de una partícula: cuanto más se acerca el experimento a la determinación de una, más se aleja del cálculo del valor preciso de la otra. Einstein, Podolsky y Rosen...

Fermiones y estadística de Fermi-Dirac

Reciben el nombre de fermiones las partículas elementales que poseen un espín igual a un número impar de semienteros ( etc.). Hay dos tipos fundamentales de fermiones: leptones y quarks. Los fermiones verifican la denominada estadística de Fermi-Dirac, uno de cuyos fundamentos es el principio de exclusión de Pauli. Este principio sostiene que no puede haber dos partículas fermiónicas que compartan un mismo estado cuántico. En el ámbito de la química, ello significa que en un mismo orbital atómico tan sólo puede haber dos electrones (que son fermiones), cada uno de los cuales ha de tener un número espín opuesto al otro. Desde un punto de vista general, puede decirse que los fermiones son las partículas elementales que constituyen la materia. Para que estas partículas mantengan interacciones entre ellas (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte o nuclear débil) deben intercambiar entre ellas otra clase de partículas denominadas bosones o partículas de “fuerza”. Los bosones...

Física de partículas elementales

En 1897, el físico inglés J. J. Thomson causó una enorme conmoción en el mundo científico con su anuncio del descubrimiento del electrón. Esta partícula, responsable de la mayoría de los fenómenos de transmisión de electricidad, pasó a considerarse la unidad elemental de la carga eléctrica. En los años siguientes, aquel hallazgo fundacional fue seguido por el de una verdadera multitud de nuevas partículas. Algunas se ubicaban prioritariamente dentro de los núcleos atómicos, como los protones y los neutrones. Otras aparecían en numerosas interacciones físicas. El vocabulario de la ciencia se enriqueció con nuevos nombres de partículas: neutrinos, muones, mesones, kaones, en distintas variantes y «sabores» y con sus correspondientes antipartículas, de idénticas características pero carga eléctrica opuesta. A ellas se sumaron otras de naturaleza diferente, como los fotones y otros bosones, con cualidades e interpretaciones singulares. La prolija tarea de identificación,...

Geocentrismo y heliocentrismo

Las primeras ideas sobre la estructura del universo se hallan en los escritos conservados de las antiguas civilizaciones. En la cultura griega clásica, destacados filósofos como Pitágoras, Platón, Aristarco o Hiparco realizaron interesantes aplicaciones al respecto. En sus modelos basados en la simple observación, Platón postulaba la existencia de una esfera sobre la que se situaban las estrellas y la Vía Láctea, ambas con posiciones relativas fijas, y en cuyo interior se encontraba la Tierra. Pensaba, además, que las estrellas se movían en círculos, por ser ésta la trayectoria más perfecta, tal y como correspondía a su condición de cuerpos celestes. Estas primitivas teorías fueron recogidas por Aristóteles, quien elaboró un modelo cosmológico geocéntrico, es decir, una explicación en la cual la Tierra se encuentra inmóvil en el centro de la esfera celeste. Según este modelo, la Tierra gira uniformemente sobre sí misma, según un eje Norte-Sur, para describir una revolución...

Geometrías no euclidianas

Las bases de la geometría comúnmente conocida fueron legadas a la posteridad por el griego Euclides entre los años 300 y 275 a.C., a través de una obra llamada Elementos. Esta obra, probablemente recopilación de otras que se han perdido, se iniciaba con unos postulados, a partir de los cuales se elaboraba una serie de teoremas. Entre dichos postulados destaca el quinto que, habitualmente, se enuncia no como tal, sino por una consecuencia del mismo que afirma que por un punto exterior a una recta sólo se puede trazar una paralela a ella. Como es sabido, un postulado es una proposición indemostrable, pero que no repugna a la razón. Dada esa indemostrabilidad, siempre es posible negar la validez de un postulado. De esta manera, la negación del quinto postulado conduce a las llamadas geometrías no euclidianas. Ya intuidas por Carl Friedrich Gauss, fueron desarrolladas décadas más tarde, en el siglo XIX, por el ruso Nikolái Lobachevski. Las conclusiones de Lobachevski, obtenidas...

Gravedad cuántica de bucles

Teoría física de alto contenido matemático que propone una visión unificada de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Estas dos hipótesis conforman la base de la física contemporánea y, en algunos dominios en los que se solapan, conducen a resultados contradictorios o absurdos, como la elevación al infinito de determinados valores de las magnitudes físicas. En su esfuerzo de unificación cuántico-relativista, la gravedad cuántica de bucles, también denominada gravedad cuántica de recurrencias, se ha erigido como una alternativa a otra hipótesis también, como ella, hasta ahora indemostrada y meramente conjetural: la teoría de las cuerdas. La gravedad cuántica procede de una reformulación de la teoría de la relatividad general y aplica los principios cuánticos a la propia esencia del espacio y el tiempo. Según la mecánica cuántica, la naturaleza está cuantizada, de manera que las magnitudes físicas no pueden adoptar cualquier valor, sino tan sólo valores discretos...

Insuficiencias de la física clásica

Insuficiencias de la física clásica. En los últimos años del siglo XIX, los pilares de las ciencias físicas parecían sólidos y bien asentados. Las leyes de la mecánica elaboradas por Isaac Newton y sus sucesores y las del electromagnetismo que James Clerk Maxwell sintetizó en elegantes ecuaciones se situaban entre los principales logros del pensamiento científico. A ello se sumaban los avances de la termodinámica clásica, que parecían encauzar la descripción del complejo ámbito de la energía y sus manifestaciones. El uso de sofisticadas herramientas matemáticas y estadísticas había permitido asimismo establecer un modelo de la física válido tanto para lo mayúsculo como para lo ínfimo. Las leyes de Newton y su teoría de la gravitación universal explicaban con buen grado de aproximación el movimiento de los planetas y las fuerzas mecánicas en el mundo sublunar. El uso de la mecánica estadística permitía extender estos mismos principios al interior microscópico de los cuerpos para...

Invierno nuclear

Tras la finalización de la Segunda Guerra Mundial, la práctica totalidad de las naciones se escindió en dos grupos, liderados respectivamente por los Estados Unidos y por la Unión Soviética. La confrontación entre ambos bloques político-militares en los terrenos estratégico, económico y cultural fue intensa, hasta el punto de que se comparó con un conflicto bélico latente, nunca declarado, que dio en bautizarse como Guerra Fría. Una de las razones que impidieron que este enfrentamiento derivara en una guerra abierta fue la doctrina persuasiva de la mutua autodestrucción. Las autoridades soviéticas y estadounidenses, además de las británicas, chinas y francesas, llegaron a acumular un arsenal muy extenso de artefactos nucleares cuyo uso bélico habría supuesto la aniquilación de todas las civilizaciones. En ese contexto surgió el concepto de invierno nuclear, con el que se intentaba poner de manifiesto los efectos que tendría el uso bélico masivo de bombas atómicas. Algunos de los...