A continuación una sorprendente y curiosa ilusión óptica.
Se trata de la ilusión ganadora del concurso de Mejor Ilusión Visual 2010, titulada algo así como “movimiento imposible: como imanes por una pendiente”.
Es una construcción en tres dimensiones que presenta unas pendientes por las que ruedan unas bolas de madera, pero que lo hacen ¡hacia arriba!
Creada por Sugihara Kokichi, profesor de ingeniería del Instituto de Estudios Avanzados de Meiji de Ciencias Matemáticas, la construcción parece desafiar la ley de la gravedad cuando se ve desde un determinado ángulo de visión. Las estratégicas orientaciones de las rampas hacen que lo que es un movimiento descendente absolutamente normal nos parezca ascendente.
Lo más novedoso de esta ilusión es que muestra un objeto sólido en 3D en movimiento, en lugar de las clásicas imágenes estáticas.
Lo primero que me vino a la mente al visionarla, fueron aquellas diferentes localizaciones en las que un automóvil en punto muerto rueda hacia arriba por la carretera. El automóvil sigue rodando hacia abajo, como manda la ley de la gravedad, pero la especial configuración del entorno nos facilita una perspectiva que nos hace creer lo contrario: que el automóvil rueda cuesta arriba.
Una ilusión. Un engaño a nuestros sentidos.
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La teoría de campo unificado es una teoría de campos que trata, mediante principios comunes, dos teorías de campo previamente consideradas diferentes. Y una teoría de campos es aquella que explica que las fuerzas entre los objetos pueden describirse como efecto de un campo, de manera que si un fenómeno ocurre en un punto y no en otro es porque la intensidad de dicho campo en ese punto lo permite.
Veamos un poco de historia:
A mediados del siglo XIX se conocían cuatro fenómenos que eran capaces de hacerse notar a través del vacío.
- gravitación
- luz
- atracción y repulsión eléctricas
- atracción y repulsión magnéticas
Se consideraban fenómenos totalmente independientes, hasta que entre 1864 y 1873 el físico teórico escocés J. Clerck Maxwell analizó tanto los fenómenos eléctricos y magnéticos y encontró ciertas relaciones básicas entre ellos —plasmados en las ecuaciones de Maxwell— demostrando que unos dependían de los otros. Entonces se pudo hablar de un campo electromagnético que influía sobre los cuerpos de acuerdo a la intensidad de ese campo en ese punto en concreto.
Demostró también que haciendo oscilar de manera regular ese campo se originaba una radiación que se alejaba de la fuente de oscilación a la velocidad de la luz en todas direcciones. Y la luz, propiamente dicha, era una de esas radiaciones electromagnéticas. Maxwell predijo la existencia de otras formas de luz, con longitudes de onda mucho más grandes y mucho más pequeñas que las de la luz visible, que fueron descubiertas a lo largo de los veinte años siguientes, hasta que actualmente hablamos de todo un espectro electromagnético.
Así los tres fenómenos quedaron unificados bajo una misma teoría, bajo un mismo campo: el electromagnético. Pero aún quedaba por integrar la gravedad. Y aunque se descubrieron ecuaciones que combinaban los efectos electromagnéticos y los gravitatorios, no lograban proporcionar del todo un campo auténticamente unificado de modo que la existencia de unos pudieran utilizarse para justificas la existencia de los otros. El propio Einstein utilizó su teoría de la relativida general para tratar de dar con ella, pero sin éxito.
La cosa se complica a partir de 1935, cuando se descubrieron dos nuevos tipos de campo que afectan a las partículas subatómicas y, además, a una distancia inferior al diámetro de un núcleo atómico. Son la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.
Un auténtico campo unificado debería explicar estos cuatro campos que se conocen en la actualidad. Éstos son (ordenados del más fuerte al más débil):
- fuerza nuclear fuerte: la responsable de la unión de los quarks para formar neutrones y protones, y de la unión de estos para formar el núcleo atómico.
- fuerza nuclear débil: la responsable de la radioactividad y de la interacción repulsiva de corto alcance que actúa sobre los electrones, neutrinos y los quarks.
- fuerza electromagnética: la que actúa sobre las partículas cargadas eléctricamente.
- fuerza gravitacional: la fuerza atractiva de largo alcance que actúa sobre todas las partículas con masa.
La función fundamental de la teoría unificada de campos es demostrar con una teoría común que las cuatro fuerzas fundamentales, al igual que la materia, son simplemente diferentes manifestaciones de un único campo fundamental.
Nota sabionda: Según la dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica, los campos pueden describirse en términos de intercambio de partículas que transfieren el momento y la energía entre los objetos. Así la interacción o fuerza nuclear fuerte se debe al intercambio de gluones, la interacción o fuerza nuclear débil es debida a los bosones W y Z, la interacción o fuerza electromagnética se bede al intercambio de fotones y la fuerza gravitacional al intercambio de gravitrones, partícula teórica que aún no ha podido ser comprobada experimentalmente.
Nota sabionda: Los físicos teóricos han sido incapaces hasta ahora de formular una teoría consistente que combine la relatividad general y la mecánica cuántica, que se han mostrado incompatibles. Así que, en años recientes, la búsqueda de una teoría de campo unificada se ha centrado en las teoría de cuerdas y posteriormente en la de supercuerdas y en la teoría M.
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¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Por qué dicen que es la última pieza del puzzle? ¿A qué tanto revuelo con el Gran acelerador de hadrones del CERN? Y ya puestos… ¿Qué es un acelerador de partículas?
A principios de los 70 se desarrolló el Modelo Estándar de física de partículas sobre la base de numerosas teorías anteriores. Este modelo es una teoría cuántica de campos, que combina la Mecánica cuántica con la Teoría especial de la relatividad de Einstein. Es una teoría compleja que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y que describen las interacciones entre ellas. Describe muy bien el Universo que nos rodea con una excepción: no incluye la gravedad. Así que es, conscientemente, una teoría parcial y cualquier descubrimiento que permitiera confirmarla o refutarla sería bien recibido por la comunidad científica, pues ello comportaría seguir avanzando en el conocimiento de la materia y la energía.
Todas las partículas que se mueven a la velocidad de la luz carecen de masa. Comoquiera que no todas alcanzan esa velocidad en sus desplazamientos, es de suponer que ese freno provenga de su masas. Una partícula virtual —deducida a partir del modelo pero que no se ha podido constatar su existencia— es el bosón de Higgs, al que le correspondería explicar la existencia de la masa.
Según la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda. Por ello al bosón de Higgs también le corresponde una onda de Higgs, que vibra u oscila en una dirección o de una manera determinada que le es propia. Y al igual que hablamos de campo electro-magnético podemos hablar de campo de Higgs.
Y este campo formado por las partículas cuyas ondas oscilan en la misma dirección es el responsable —en teoría— de que los cuerpos tengan masa. ¿Y cómo?
Imaginemos una autopista de una longitud infinita y con un número de carriles infinitos, completamente llena de automóviles que se desplazan en la misma dirección moviéndose conjuntamente en un monumental atasco. Y no solo eso, imaginemos también que sobre esta autopista, sin mediar espacio, hay otra igual y otra más y tanto por encima como por debajo en un número infinito. ¿Hecho? Ahora desechemos el asfalto y quedémonos con los automóviles, que serán las partículas-onda que conforman este campo. Cualquier automóvil que desee circular en la misma dirección que el resto formará parte de dicho campo y no encontrará resistencia por parte de los otros automóviles. Ahora bien, si un automóvil quiere circular en una dirección que se desvíe de la fijada, no tendrá más remedio que ir chocando con otros automóviles, abriéndose paso colisión tras colisión. Este campo de automóviles supondrá un mayor freno al avance cuanto más se separen las direcciones, es decir, chocará más si su dirección de circulación en perpendicular a la del campo.
Entonces, las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que el campo de Higgs no encuentran resistencia y se mueven a la velocidad de la luz, la máxima velocidad posible y que tan solo pueden alcanzar las partículas sin masa. Entonces el fotón —que no tiene masa y se mueve a la velocidad de la luz— oscila en la misma dirección del campo de Higgs y por ello no interacciona con él, podemos decir que no lo nota. Por el contrario, las demás partículas tendrán más o menos masa dependiendo de grado de interacción con el campo de Higgs.
Ahora bien, esto es sobre el papel porque no se ha visto ningún bosón de Higgs. Y eso es lo que pretenden hacer, entre otras cosas, los científicos del CERN. En el Gran acelerador de hadrones acelerarán haces de partículas cargadas eléctricamente hasta velocidades cercanas a la de la luz, por medio de campos electromagnéticos. Y harán chocar frontalmente estos haces para poder analizar sus componentes más básicos cuando estos haces se hagan pedazos. Por supuesto que la colisión dura un instante y que las partículas obtenidas tienen una vida también muy efímera, pero los sensores que recubren el interior de acelerador son capaces de recoger una ingente cantidad de información de ese instante. Información que posteriormente será estudiada a la búsqueda de las trazas del bosón de Higgs y a la confirmación de la teoría.
Nota sabionda: Las observaciones realizadas a lo largo del Universo, han puesto de manifiesto que ciertas órbitas planetarias y galácticas no pueden ser explicadas por los campos gravitatorios de la materia observable. Hay pues una materia que interacciona con el resto de la materia pero que no podemos o sabemos detectar y que se cifra en un 85% del total. Como se mantiene oculta a nuestros ojos, los astrofísicos la llaman materia oscura. Y también esperan obtener respuestras en el acelerador de qué y cómo buscar esta materia.
Nota sabionda: También intentarán conocer cuántas y cuáles son las partículas elementales que componen los átomos. Y buscarán también el “gravitón”, partícula virtual no contemplada en el Modelo Estándar cuya existencia daría un fuerte empujón a la Teoría de las Supercuerdas como teoría unificadora de la Mecánica Cuántica y la Teoría General de la Relatividad.
Nota sabionda: En realidad el átomo no tiene una disposición de “sistema solar” con el núcleo en el centro y los electrones dispuestos en órbitas elípticas, ni los quarks “giran” (spin), ni las pártículas “oscilan” en una dirección determinada, todo ello son simplificaciones para comprender mejor unos conceptos abstractos.
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¿Por qué nos oculta una de sus caras la Luna? ¿Por qué no nos muestra toda su superficie mientras gira?
Parece lógico que al girar sobre sí misma, la Luna debería mostrarnos toda su superficie, pero no es así.
Y lo es por una sencilla razón: La Luna tarda lo mismo en dar una vuelta sobre sí misma (movimiento de rotación) que en dar una vuelta alrededor de la Tierra (movimiento de traslación). Así que cada vez que gira un poco sobre su eje, también se traslada un poco alrededor nuestro, de manera que nos muestra siempre la misma cara.
¡Qué casualidad! Tarda 28 días en dar una vuelta alrededor de la Tierra y también tarda 28 días en dar un giro sobre sí misma. De no ser así nos mostraría más del 59% de su superficie como hace actualmente.
¿Casualidad? Nada más lejos de la realidad: la mayoría de los satélites del Sistema Solar sufren este mismo efecto. Se dice que está desgirados.
Aunque en un origen la Luna poseyera una rotación diferencial, la fuerza gravitatoria que opera entre ambos astros ha acabado anclando gravitacionalmente a la Luna en su posición actual. ¿Cómo? Vamos a explicarlo.
En el espacio, los cuerpos se atraen unos a otros con sus fuerzas gravitatorias. Es conocido el efecto que la fuerza gravitatoria de la Luna causa en los mares, y que no es otro que las mareas. Pues bien, al contrario ocurre lo mismo y en mayor proporción, ya que la masa de la Tierra es muy superior a la del satélite.
Esas fuerzas deformadoras no operan sobre las masas de agua —ya que no hay— sino sobre la roca sólida, creando movimientos de marea en la propia masa rocosa y creando fricciones internas que disipan energía. Esta pérdida de energía va frenando los movimientos rotacionales de ambos astros y, de momento, el efecto visible es que la deformación de marea ha quedado fija y la rotación de la Luna se ha acompasado a la traslación al adecuarse al giro de la Tierra. Lo que se conoce como efecto gradiente gravitatorio.
Con el tiempo suficiente, la Tierra frenaría su rotación adecuándose a la fuerza gravitatoria de la Luna y ambos astros acabarían con una deformación fija, apuntando el uno hacia el otro y girando sin dejar de mirarse, esto es, la Luna presentaría una sola cara (como ahora) pero solamente se podría ver desde una cara de la Tierra.
Claro que… nosotros ya no estaríamos aquí para verlo.
Nota sabionda: No supimos cómo era la cara oculta de nuestro satélite hasta que nos llegaron las primeras fotografías de la sonda soviética Luna 3, que tomó las primeras instantáneas el 10 de octubre de 1959.
Nota sabionda: Desde la Tierra se nos ocultan unos 15,5 millones de de km2 (el 41% de la superfície lunar). Una zona mucho más accidentada que el hemisferio visible, debido a que está siempre vuelta hacia el espacio y por lo tanto más expuesta a la caída de bólidos.
Bueno, si no lo fuera no estaríamos aquí haciéndonos esa pregunta. O, si estuviéramos, nuestra biología sería muy diferente y a saber de nuestros procesos mentales.
Quizá la pregunta debería ser formulada de otra manera: ¿Por qué podemos respirar nuestra atmósfera y no otras? Tampoco. La podemos respirar porque hemos evolucionado de acuerdo a ella y no a la de los otros planetas.
Y qué tal… ¿Por qué la atmósfera tiene una proporción importante de oxígeno y no un predominio de amoniaco, metano, dióxido de carbono y otros gases, como en otros planetas del Sistema Solar?
Para responder a esto, nada mejor que empezar por el principio.
Según los astrónomos, los planetas tuvieron su origen en torbellinos de gas y polvo interestelar constituidos por los diversos elementos presentes en el cosmos. La composición de estas nubes —al igual que la del cosmos— era de un 90% de hidrógeno, un 9% de helio y el restante 1% incluía todos los demás elementos: principalmente neón, oxígeno, carbono, nitrógeno, carbón, azufre, silicio, magnesio, hierro y aluminio.
Las fuertes presiones gravitatorias amalgamaron aquellos elementos dando lugar a los globos sólidos. Así la Tierra surgió, principalmente, de una mezcla rocosa de silicatos y sulfuros de magnesio, hierro y aluminio, cuyas moléculas se mantenían firmemente unidas por fuerzas químicas. Claro que, durante este proceso, una serie de gases quedaron atrapados mediante uniones químicas débiles.
A medida que aumentaba la presión se hizo más violenta la acción volcánica y muchos gases fueron expulsados. Aunque el hidrógeno combinado con otros elementos —con oxígeno para formar agua, con nitrógeno para formar amoníaco o con carbono para formar metano— permaneció, las moléculas de hidrógeno y los átomos de helio y neón, al ser demasiado ligeros para ser retenidos, escaparon rápidamente. La mayor parte del vapor de agua se condensó y formó un océano y la atmósfera de la Tierra quedó constituida entonces por: vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón.
La atmósfera de los planetas interiores comenzó a evolucionar químicamente gracias a los rayos ultravioletas del cercano Sol, que rompieron las moléculas de vapor de agua en hidrógeno y oxígeno. Aunque el hidrógeno escapó, el oxígeno fue acumulándose y combinándose con amoníaco y metano. Con el primero formó nitrógeno y agua y, con el segundo, anhídrido carbónico y agua. Poco a poco, la atmósfera de los planetas interiores pasó de ser una mezcla de amoníaco y metano a una mezcla de nitrógeno y anhídrido carbónico.
La posterior acción de los rayos ultravioleta sobre el vapor de agua hace que se vaya acumulando oxígeno libre que posteriormente se transforma en ozono. Este ozono actúa de barrera al absorber la mayor parte de la radiación ultravioleta. Aquella que logra atravesar la capa de ozono en la alta atmósfera y romper las moléculas de agua más abajo es muy escasa, con lo cual se detiene la evolución química de la atmósfera y se convierte en estable.
Pero en la Tierra apareció un hecho nuevo que rompió la estabilidad: el desarrollo de un grupo de formas de vida capaces de utilizar la luz visible para romper las moléculas de agua. Como la capa de ozono no intercepta la luz visible, el proceso de la fotosíntesis podía proseguir indefinidamente, consumiendo anhídrido carbónico y liberando oxígeno.
Así, pues, hace 500 millones de años, la atmósfera empezó a convertirse en una mezcla de nitrógeno y oxígeno, que es la que existe hoy, y es la que respiramos.
Nota sabionda: Las atmósferas de los planetas exteriores, alejados de la luz solar, están formadas de vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón. Además de hidrógeno , helio y neón, que no escaparon porque estos planetas tienen la masa suficiente como para retenerlos.
Nota sabionda: Marte y Venus tienen hoy día atmósferas compuestas por nitrógeno y anhídrido carbónico, mientras que la Tierra debió de tener una parecida hace miles de millones de años, cuando empezó a surgir la vida.
Hemos visto muchas veces en las películas un fotograma como el que ilustra este texto: una persona hundiéndose irremisiblemente en las profundidades de las arenas movedizas.
Aunque puede darse el caso, es un mito propagado por el cine porque no es tan fácil hundirse por completo. El cuerpo humano es menos denso que al agua y por eso flota, entonces si el agua está mezclada con arena su densidad aumenta y el cuerpo humano tiene que flotar mejor. No es como para tirarse de cabeza, pero manteniendo la calma se puede volver a tierra firme, evitando la fatalidad.
La arenas movedizas son una mezcla de arena y agua o de arena y aire que parecen sólidas, pero que se vuelven inestables si las altera alguna tensión adicional. Los granos de arena que las forman suelen ser alargados en lugar de esféricos, lo que favorece que el espacio entre granos —ocupado por aire o agua— constituya entre el 30 y el 70% del volumen total.
Esta configuración se desmorona cuando la fuerza de un peso, una vibración o la acción del agua vence el rozamiento que mantiene a las partículas en su lugar. El agua actúa como un lubricante y entonces la arena se comporta casi como un líquido y en ese estado no puede soportar tanto peso como la arena seca.
Las arenas movedizas suelen ser poco profundas, por lo que no es fácil que nos hundamos más allá de unos decímetros. Eso es así porque una vez se ha expulsado el aire de los huecos los granos se compactan. De todas maneras es mejor no realizar movimientos bruscos para evitar la succión. Hay que permanecer inmóvil y pedir ayuda o realizar movimientos suaves buscando ofrecer mayor superficie de flotación.
Nota sabionda: Cuando la fuerza de flotación ejercida por el agua sobre los granos de arena es superior a la fuerza de gravedad, la arena para a ser ingrávida y se proyecta hacia arriba, produciéndose el fenómeno de sifonamiento. Los movimientos en el seno de la masa se traducen en aumentos locales en la velocidad de circulacion del agua que producen sifonamientos puntuales que pueden hundir a la persona.
En realidad son esféricos, pero siempre he oído formular así la pregunta.
Todos los planetas son esféricos debido a sus campos gravitatorios.
Cuando se formaron los planetas, la gravedad juntó billones de piezas de gas y polvo en masas que colisionaron y se calentaron y se sintieron empujadas hacia el centro de gravedad del conjunto.
Los planetas, una vez fríos, siguen comportándose como un fluído a lo largo de extensos periodos de tiempo, sucumbiendo al empuje gravitatorio de su centro de gravedad. El único modo de que toda la masa permanezca lo más cerca posible del centro de gravedad consiste en formar una esfera. El proceso recibe el nombre de ajuste isostático.
Nota sabionda: La fuerza centrífuga fruto de la rotación actúa contra la gravedad y causa que muchos planetas abulten más alrededor de sus ecuadores, alejándose de la esfera perfecta.
