Esta es la verdadera razón por la que nada puede ser más rápido que la luz

La luz permanece imbatible en su récord de velocidad. 

 

Corría septiembre de 2011 y el físico Antonio Ereditato conmocionaba al mundo.

El anuncio que había hecho prometía dar un drástico giro a nuestros conocimientos sobre el Universo. Si los datos recogidos por 160 científicos que trabajaban en el proyecto OPERA eran correctos, lo impensable había ocurrido.

Un grupo de partículas -en este caso, los neutrinos- había viajado más rápido que la luz.
Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, eso no era posible. Y las implicaciones eran enormes. Muchos aspectos de la física tendrían que ser modificados.

Al final, el resultado de OPERA estaba errado por causa de un problema de sincronización debido a un cable mal conectado.

Como consecuencia, las mediciones de lo que tardaban los neutrinos en recorrer la distancia estaban equivocadas en 73 nanosegundos, e hizo que pareciera como si hubieran viajado más rápidamente de lo que lo hicieron.

Ereditato renunció.

Pero, ¿estamos realmente seguros de que nada puede viajar más rápido que la luz?

• Logran bajar la velocidad de la luz por primera vez

Cuestión de peso

Examinemos el asunto. La velocidad de la luz en el vacío es de 299.792.458 kilómetros por segundo (cerca de la cifra redonda de 300.000 km/s). El Sol se encuentra a 150 millones de km de la Tierra y la luz tarda sólo ocho minutos y 20 segundos en recorrer esa distancia.

A principios de la década de 1960, William Bertozzi, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, en EE.UU., experimentó con la aceleración de electrones a velocidades cada vez mayores.

Debido a que los electrones tienen una carga negativa, es posible propulsarlos aplicando la misma carga negativa a un material.

En teoría sólo se tiene que aumentar la energía aplicada con el fin de alcanzar la velocidad requerida de 300.000 km/s, pero resultó que no es posible que los electrones se muevan tan rápido.

Los experimentos de Bertozzi revelaron que el uso de más energía sólo causaba un aumento directamente proporcional en la velocidad del electrón.

La luz está compuesta de partículas llamadas fotones. ¿Por qué estas partículas pueden viajar a la velocidad de la luz cuando otras partículas como los electrones no pueden?

"A medida que los objetos viajan más rápido, su masa crece y mientras más masa tienen, más difícil es lograr la aceleración, por lo que nunca llegan a la velocidad de la luz", explica Roger Rassool, físico de la Universidad de Melbourne, en Australia.

• Los neutrinos viajan a la velocidad de la luz

Einstein, siempre Einstein

Los fotones son bastante especiales. No sólo carecen de masa, lo que les da vía libre a la hora de atravesar vacíos como el espacio, sino que además no necesitan acelerar. La energía natural que poseen significa que cuando se crean ya están a su máxima velocidad.

No hemos observado o creado nada que pueda desplazarse tan o más rápidamente que los fotones.

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BBC Ciencia

Crean por primera vez “moléculas” de luz

Físicos logran sobreponer fotones para que se comporten como moléculas.

Científicos del National Institute of Standards in Technology de Estados Unidos han logrado crear algo que desafía los límites de lo que la ciencia consideraba posible: “moléculas” de luz (o al menos, luz que se comporta como una molécula). Los fotones no tienen masa y no interactúan entre sí, por lo que para crear “materia fotónica” era necesario mantener la interacción de estas partículas durante un cierto período de tiempo.

Anteriormente, los investigadores habían logrado fabricar un compuesto fotónico disparando dos fotones en una nube de átomos de rubidio a bajas temperaturas en una cámara sellada, lo cual causó que los fotones donaran su energía a los átomos enfriados a su alrededor. Los fotones interactúan con la nube de rubidio, pero esta nube afecta a su vez a los fotones y así sucesivamente, lo cual hace que los dos fotones interactúen entre sí y desalojen la nube de rubidio como un solo foton perfectamente sobrepuesto.

Recientemente el equipo logró crear “moléculas” de dos fotones en los que el tándem de partículas se mueve de manera coordinada, como dos átomos en una molécula. Para este proceso se requieren temperaturas criogénicas y poderosos aparatos, por lo que no es muy viable por el momento. Sin embargo, la tecnología “multifotónica” podría ser más adelante utilizada para aumentar la transmisión y coherencia de datos a través de luz, como puede ser por fibra óptica.

Este juego de ciencia cuasi divina con la luz tiene algunos interesantes antecedentes, como la vez que varios científicos lograron crear materia con luz, en un nuevo fiat lux.

Tomado de:

Pijama Surf

¿Pesan todas las hormigas juntas más que toda la humanidad?

"Si fuéramos a pesar todas las hormigas del mundo, pesarían tanto como todos los seres humanos", dijo el presentador Chris Packham en un reciente documental de la BBC. ¿Puede ser cierto?

Hay hormigas de hasta 60 mg, pero la media es mucho menor.

Esta afirmación la hicieron por primera vez el profesor Edward O. Wilson, de la Universidad de Harvard (Estados Unidos), y el biólogo alemán Bert Hoelldobler en su libro de 1994 "Viaje a las hormigas".

La estimación se basa en un cálculo anterior del entomólogo británico C.B. Williams, quien calculó que el número de insectos vivos en la tierra en un determinado momento es de un millón de billones.
"Si, para tomar una cifra conservadora, el uno por ciento de eso son hormigas, la población total sería de 10.000 billones", escribieron Wilson y Hoelldobler.

Cómo se pesa una hormiga

"Es muy fácil pesar una hormiga. En una pequeña pesa electrónica, se pone una hormiga", explica Ratnieks.

Pero advierte, lo mejor es refrigerar la pesa antes: "Esa es la manera de que no salgan corriendo".

"Una hormiga trabajadora puede pesar una media de entre uno y cinco miligramos, dependiendo de la especie. Combinadas, todas las hormigas juntas pesan juntas tanto como todos los seres humanos".
La idea de Wilson y Hoelldobler se basa en la idea de que un humano medio pesa un millón de veces más que una hormiga media.

¿Y cuánto aguanta este argumento un examen detenido?

Un humano medio pesa 62 kilos, así que eso supondría que las hormigas pesan unos 60 miligramos.
"Hay hormigas que pesan 60 miligramos, pero son de las muy grandes", dice Francis Ratnieks, profesor de apicultura de la Universidad de Sussex, Reino Unido.

"La hormiga común debe rondar un miligramo o dos".

Con unas 13.000 especies en el mundo, la diferencia de tamaño va de las que miden un milímetro a las de 30.

Así que es probable que el peso también varíe notablemente: aunque numerosos expertos parecen estar de acuerdo en que la media pesa 10 mg.

Eso sí, nadie sabe cuántas hormigas hay en el mundo. El documental de la BBC dice que no son diez millones de billones sino cien billones...

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BBC Ciencia

¿Por qué si usted y una araña se caen del techo a ella no le pasa nada?

El gel balístico es gelatina como la que nos comemos pero más densa.

¿Por qué las arañas y moscas pueden caminar por las paredes?

La respuesta se encuentra en la física y quien la descifró fue Galileo Galieli, el mismo que insistió en que la Tierra giraba alrededor del Sol.

• Compruebe que una araña puede ser más fuerte que usted

Se llama la Ley de la caída libre de cuerpos y, como suele suceder, es más fácil y divertido entenderla por medio de un experimento.

En éste, el científico Mark Miodownik muestra cómo hacer gel balístico, el que usa la policía para examinar el impacto de las armas de fuego pues se asemeja al tejido humano vivo.

Con la ayuda de ese gel, usted podrá comprobar que el tamaño importa cuando se trata de sobrevivir a una caída.

Qué se necesita

Dos jarras medidoras de 1 litro
Un tazón o balde grande
Un tazón pequeño, como los de comer cereal
Un tazón grande, como los de servir ensalada
200 gramos de gelatina
Aceite de cocinar
Cuchara
Nevera
Dónde hervir agua
Un lugar en el que se pueda tirar desde lo alto gel balístico sin causar problemas

Cómo se hace

Tenga mucho cuidado con el agua hirviendo y asegúrese de que la gelatina no le caiga a nadie ni nada cuando la suelte.

La gelatina toma 15 horas en cuajar.

Eche 900ml de agua caliente en una jarra medidora y agréguele 100g de gelatina. Repita el proceso en la otra jarra medidora.

Revuelva la mezcla en ambas jarras con cuidado, para que no le entren burbujas de aire.

Cuando la gelatina esté bien disuelta, meta las jarras en la nevera y déjelas ahí durante tres horas.

Sáque las jarras de la nevera y póngalas en un tazón con agua recién hervida durante 10 minutos. Revuelva con cuidado hasta que la gelatina esté completamente líquida.

Engrase los tazones que usará como moldes -el pequeño y el grande- para que no se les pegue la gelatina cuando se enfríe.

Vierta lentamente unos 450ml de la gelatina líquida en el molde pequeño y 1.350ml en el grande. Métalos en la nevera y déjelos 12 horas.

Cuando saque la gelatina de la nevera, deben estar elásticas pero firmes.

Desenmolde y...

...tras asegurarse de que no hay nada ni nadie abajo, deje caer las dos gelatinas desde un lugar alto a una superficie dura.

Si sale bien el experimento verá que mientras la gelatina pequeña está entera, la grande habrá sufrido por la caída.

El experimento ilustra la ley cuadrático-cúbica, un principio matemático que ayuda a entender desde por qué no se puede construir una escalera para llegar al cielo hasta por qué King Kong no habría podido caminar en tierra, mientras que las ballenas nadan graciosas en el mar.

Ahora sí: la ley de caída libre de los cuerpos

Animales relativamente grandes como nosotros son propensos a sufrir lesiones graves al caer desde una gran altura. Sin embargo, un animal más pequeño sale ileso.

Esto se debe a una relación fundamental en la naturaleza, descubierta por Galileo, que establece que cuando el ancho de un cuerpo se duplica, el área de superficie se multiplica al cuadrado y el volumen, al cubo.

Así, algo que es 10 veces más ancho, tiene 100 veces el área de superficie, pero 1.000 veces el volumen. Y a medida que el volumen aumenta, también lo hace la masa en proporción.

Esto significa que cuanto mayor sea el objeto, menor será es la relación de superficie a volumen.
Por lo tanto, los seres humanos se rigen por fuerzas gravitacionales, ya que nuestra superficie es relativamente pequeña en comparación con el volumen.

En el caso de los animales muy pequeños, la gravedad es insignificante, pues tienen una gran relación de superficie a volumen.

Viven en un mundo dominado por las fuerzas de superficie, como la fricción y la adhesión, que superan la fuerza relativamente débil de la gravedad.

Eso explica por qué las arañas y moscas pueden trepar por las paredes.

Fuente:

BBC Ciencia

Cinco cosas que deberías saber sobre la conducta colectiva

Qué es una multitud. De acuerdo con el Centro Nacional de Condiciones de Trabajo en España, el fenómeno llamado "conducta colectiva", "conducta de masas" o "dinámica colectiva" se puede definir como toda conducta relativamente espontánea ejecutada por un grupo de personas ante un estímulo común en una situación indefinida o ambigua. Estos grupos de personas, generalmente transitorios y carentes de organización formal, reaccionan ante un conjunto inmediato de circunstancias de formas no convencionales. Se trata de multitudes que podríamos definir como "un amplio número de personas que comparten un centro de interés común durante un tiempo limitado". Dichas personas son conscientes normalmente de su influencia mutua. 

Una minoría decide. Según se desprende de un estudio de la Universidad de Leeds publicado hace unos años la revista Animal Behaviour Journal, en las multitudes humanas una minoría de sólo el 5% decide el camino, y el 95% restante sencillamente le sigue. “Los sujetos del experimento siempre acababan llegando a un consenso en sus movimientos, a pesar de que no les estaba permitido hablar ni gesticular”, explicaba el biólogo Jens Krause, coautor de la investigación. 

Así hacemos "la ola". Analizando el desarrollo de catorce "olas humanas" en estadios de fútbol con capacidad para más de 50.000 personas, el físico Tamàs Vicsek ha llegado a la conclusión de que generalmente se desplazan en el sentido de las agujas del reloj a una velocidad de 12 metros (20 asientos) por segundo. Y que para que se desencadenen hace falta que al menos 25 espectadores levanten sus brazos. Además, el modelo matemático que reproduce el movimiento de la ola es sorprendentemente parecido al que simula el comportamiento de las células cardíacas o al de la propagación de los incendios forestales. 

Las reglas de los peatones. Científicos franceses del Centro de Investigación del Conocimiento Animal de Toulouse demostraron que cuando un peatón camina aplica dos reglas para tratar de minimizar la congestión en su campo visual: camina hacia los espacios vacíos que ve y ajusta su velocidad para mantener una distancia mínima de seguridad frente al obstáculo más próximo. Simulando digitalmente un modelo de comportamiento en multitudes con solo estos dos parámetros, los investigadores comprobaron que el resultado coincidía con lo que sucede en la realidad, y que explicaba muchos fenómenos espontáneos, como la formación de líneas o "carriles" de peatones en direcciones opuestas, tal y como publicaban los autores en PNAS.

Las hormigas como modelo. Después de observar durante años a las hormigas argentinas (Linepithema humile), el investigador Martin Burd parece haber descubierto cómo se las apañan estos insectos para controlar el tráfico en situaciones de emergencia. “Cuando sienten pánico no se comportan como los humanos: permanecen tranquilas, caminan en filas ordenadas y son corteses las unas con las otras, porque no buscan el bien individual sino el del grupo”, explica este científico australiano.

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Muy interesante

Científicos del CERN, "casi seguros" de haber encontrado bosón de Higgs

El colisionador de hadrones del CERN.

Los científicos de la Organización Europea de Investigación Nuclear, CERN, dicen que están cada vez más convencidos de que la partícula subatómica que identificaron en experimentos el año pasado es el largamente esperado bosón de Higgs.

 

Sin embargo, los investigadores dicen que aún no puede estar cien por ciento seguros. El bosón de Higgs - que explicaría por qué la materia tiene masa - ha sido descrito como la piedra angular que falta de la física.

Desde hace tiempo se teorizó sobre él y físicos de todo el mundo han estado compitiendo para confirmar la teoría con experimentos prácticos.

 

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BBC Ciencia 

Una roca es un reloj

Investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) han creado un nuevo reloj atómico que puede medir el tiempo con la masa de un átomo, y viceversa. El desarrollo de este dispositivo, cuyo mecanismo se presenta esta semana en la revista Science, puede ayudar a definir mejor el concepto de kilogramo.

“Por así decirlo, una roca es un reloj”, señala Holger Müller, un profesor de la Universidad de California-Berkeley (EEUU) preocupado desde niño por saber lo que realmente es el tiempo. Ahora, junto a otros colegas de su universidad, acaba de fabricar un reloj que asocia el tiempo a la masa de una partícula.

Medir el tiempo usando la masa, y viceversa Crédito: Pei-Chen Kuan.

Los investigadores han materializado la hipótesis del físico francés Louis-Victor de Broglie, que ya en 1924 planteó que la materia, además de su característica corpuscular, también puede actuar como una onda.

Construir un reloj de materia parecía imposible, ya que la frecuencia –denominada de Compton– de esas ondas de materia se consideraba casi imposible de observar, o aunque se pudiera, las oscilaciones serían demasiado rápidas para medirlas.

“En un reloj de pared hay un péndulo y un mecanismo que puede contar sus oscilaciones, pero no había manera de hacer un reloj de ondas de materia, ya que su frecuencia de oscilación es 10 000 millones de veces más alta que, incluso, las oscilaciones de la luz visible”, comenta Müller.

Sin embargo, el equipo lo ha conseguido gracias a los dos aparatos con los que ha construido su reloj: un interferómetro –instrumento que usa la interferencia de las ondas para medir las longitudes de onda– y un ‘peine’ de frecuencias. Con ellos han podido jugar con las variables de la frecuencia de Compton (w=mc²/h, donde m es la masa, c la velocidad de la luz y h la constante de Planck) en un átomo de cesio.

Como, según la teoría de la relatividad, el tiempo se ralentiza para los objetos en movimiento, el átomo de cesio que se aleja y vuelve es más ‘joven’ que el que se queda parado. Es decir, la onda de materia del cesio viajero oscila menos veces. Así, midiendo las ínfimas diferencias de frecuencia –del orden de 3×10²⁵– se puede calcular el tiempo.

“Nuestro reloj tiene una precisión de siete partes por cada mil millones”, explica Müller, quien reconoce que esto todavía es cien millones de veces menos de lo que ofrecen los mejores relojes atómicos actuales, que usan iones de aluminio.

Mejores relojes y patrones atómicos

“Pero las mejoras en nuestra técnica pueden impulsar la precisión de los relojes atómicos, incluidos los de cesio que hoy se emplean para definir el segundo”, añade el investigador.

Además de poder medir el tiempo con la masa, el estudio plantea lo contrario: deducir la masa conociendo el tiempo de las oscilaciones. Es otra de las ventajas de utilizar la ecuación de Compton.

De esta forma, el trabajo –que publica Science esta semana– también puede ayudar en el futuro a definir mejor el concepto de kilogramo, que se podría relacionar con una unidad de tiempo como el segundo.

En la actualidad la masa de referencia del kilogramo es un cilindro de platino e iridio que se custodia en una caja fuerte en Francia, con copias exactas repartidas por todo el mundo. La de Reino Unido se hecho popular recientemente porque se ha detectado que ha ‘engordado’ unos microgramos. Para evitar desviaciones como esta, la Conferencia General de Pesos y Medidas trata de sustituir este kilogramo estándar por otro basado en una medida física de mayor precisión.

En este sentido se plantea la propuesta del equipo para hacer un nuevo patrón de masa en función del tiempo, junto a otras alternativas como el uso de la denominada esfera de Avogadro, un cristal muy puro de silicio del que se conoce con precisión su número de átomos.

“Nuestro reloj y las mejores esferas de Avogadro actuales pueden facilitar la nueva definición de kilogramo”, dice Müller, que resume: “Conocer el tictac de nuestro reloj es equivalente a conocer la masa de la partícula, y una vez que sabes la masa de un átomo, puedes relacionarla con las masas de los demás”.

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Referencia bibliográfica: S.-Y. Lan; P.-C. Kuan; B. Estey; D. English; J.M. Brown; M.A. Hohensee; H. Müller; H. Müller. “A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass”. Science, 10 de enero de 2013.
Fecha Original: 10 de enero de 2013 Enlace Original

Tomado de:

Ciencia Kanija

El kilogramo oficial tiene "sobrepeso"

El kilogramo original, que rige la masa de un kilo, está guardado en las afueras de París.

Los excesos de las fiestas provocan que no sean pocos los que deciden, como propósito para el nuevo año, perder esos kilos de más acumulados tras incontables comidas y familiares.

Pero, ¿qué pasaría si no hubiese que hacer ninguna dieta y que, aún con los kilos de más, conservásemos -en los números- el mismo peso?

Pues eso es precisamente lo que, según los científicos, ocurrió con el cilindro que determina lo que es oficialmente un kilogramo: podría haber "engordado" y pesar más de 1.000 gramos.

Científicos británicos comprobaron que una de las réplicas de este cilindro pesa más de un kilo, de lo que se deduce que el que se encuentra en París podría también tener sobrepeso.

El kilogramo es la única de las siete unidades comprendidas en el Sistema Internacional de Unidades que se define en función de un objeto: el patrón de platino iridio fabricado en Londres y conservado en Francia en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM, según sus siglas en francés).

Este estándar fue establecido por la BIPM en 1889, durante la Conferencia General de Pesos y Medidas. Del original se reprodujeron 40 réplicas, que fueron distribuidas por todo el mundo y que son comparados con el original cada 50 años.

Pequeñas diferencias

Según afirma en un comunicado la Universidad de Newcastle, en Reino Unido, los profesores Peter Cumson y Naoko Sano usaron una avanzada técnica para analizar la superficie de uno de los cilindros "hermanos" del de París y encontraron que el kilogramo original podría haber aumentado de masa en poco menos de 100 microgramos.

"La masa es una unidad tan fundamental que incluso un pequeño cambio es significativo y el impacto de tal variación a escala global es enorme"

Peter Cumson, de la Universidad de Newcastle

Los estudios se realizaron sobre la copia 18 del kilogramo original, que fue la enviada desde París a Reino Unido.

"Realmente no importa lo que pese siempre y cuando todos nos refiramos al mismo estándar; el problema son las pequeñas diferencias. El kilogramo original y sus 40 réplicas distribuidas por el mundo están creciendo a distintos ritmos, diferenciándose unas de otras", asegura Cumson en el comunicado.

"Pero estamos hablando tan solo de unos gramos –menos de 100 microgramos-, así que lamentablemente no podemos quitarnos un par de kilos y fingir que los excesos de Navidad nunca ocurrieron", añade.

Bronceado para adelgazar

Pero las diferencias, aunque mínimas, son significativas.

"La masa es una unidad tan fundamental que incluso un pequeño cambio es importante y el impacto de tal variación a escala global es enorme", dice Cumson.

"Lo que hemos hecho en la universidad es darle a esta superficie una especie de bronceado. Exponiendo la superficie de los cilindros a una mezcla de rayos ultravioleta de onda larga (UVA) y ozono hemos podido quitar la contaminación y potencialmente devolverle al prototipo su peso original".

Varios institutos de medición del mundo entero trabajan para encontrar una alternativa a este ejemplar que no esté basada en una pieza de metal.

Otras opciones

El kilogramo se define en función de un objeto y los expertos piensan ahora en definirlo tomando como base la mecánica cuántica.

Muchos científicos apuestan por una opción: la constante de Planck, una constante física -que recibe su nombre de Max Planck, su descubridor- y que juega un papel fundamental en la teoría de la mecánica cuántica. clic Haga clic aquí para ver la definición.

Diversas investigaciones en marcha han establecido una conexión entre la masa y la constante de Planck.

La idea es que cuando exista una conclusión unánime acerca de esta cuestión se pueda poner en marcha una nueva definición de la unidad métrica de peso.

"Se ha logrado un consenso internacional que apunta a que en el futuro cercano el kilogramo debe de ser redefinido en base a un valor fijo que parte de la constante de Planck. Aunque nuestros experimentos están progresando, es demasiado pronto para poner en marcha una nueva definición de kilogramo", explica Michael Stock, físico del BIPM.

"Los expertos en metrología de masas recomiendan que hasta que no haya un consenso entre los experimentos realizados en laboratorios de todo el mundo no se dé este paso", continúa el investigador.

Mientras tanto, habrá que seguir confiando en el kilogramo de París y en sus pequeñas inexactitudes.

Fuente:

BBC Ciencia

La derecha, la izquierda y el verdadero origen de la masa

Imagina que hay 2 observadores, uno en frente del otro que están mirando un reloj (con la cubierta trasera transparente) que se encuentra entre ellos. Uno de ellos le dice al otro: "Que reloj tan bonito, lástima que gire al revés", a lo que el otro responde: "¿Qué estás diciendo?, el reloj gira correctamente".

¿Cual de ellos tiene razón? Pues los 2 tienen razón, la respuesta depende del sistema de referencia que utilicemos. En este caso el sentido de giro del reloj (horario o anti-horario) es claramente una convención humana y depende de la posición del observador. 

Sin embargo, como Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad no pueden existir sistemas de referencia privilegiados, las leyes y magnitudes fundamentales del Universo deben ser las mismas para todos los observadores. Vamos a comprobar este principio de forma bastante sorprendente en una de las más fundamentales propiedades de las partículas elementales: el spin. 

Helicidad

Todas las partículas que forman la materia (llamadas fermiones) tienen un momento ángular intrínseco: el spin. El spin es un fenómeno intrínsecamente mecánico cuántico, es decir, no existe una analogía clásica totalmente correcta para definirlo, sin embargo, para nuestro propósito, se puede usar la analogía de la bola que gira sin incurrir en errores fundamentales: 

                                                                        

La flecha gris indica el sentido de movimiento y la roja el sentido de giro del spin de la partícula. Esta partícula se denomina partícula de helicidad derecha (por convención si ponemos el pulgar en el sentido de la flecha gris, el movimiento producido al plegar los dedos nos indica el sentido de giro del spin). En las partículas de helicidad derecha el sentido de giro del spin coincide con la dirección de movimiento (es decir, cuando proyectamos el vector spin sobre el vector impulso el resultado es positivo). A continuación representamos la misma partícula de helicidad derecha moviendose en sentido contrario:

                                                                        

Ahora el sentido del spin cambia pero la partícula sigue siendo la misma partícula de helicidad derecha (puedes comprobarlo poniendo el pulgar de la mano derecha en la nueva dirección de movimiento). Las partículas de helicidad izquierda son entonces las que giran en el sentido siguiente: 

                                                        

Todas las partículas que forman la materia (electrones, quarks, etc) se presentan en dos tipos: de helicidad izquierda (L) y de helicidad derecha (R).

Helicidad, relatividad y masa

Las partículas sin masa como el fotón viajan siempre, bajo cualquier sistema de referencia a la velocidad de la luz. Esto quiere decir que ningún observador puede "adelantar" a un fotón y "observar" que sucede con el sentido de giro de su spin. Por esto, en partículas sin masa, un fotón con helicidad R será siempre, bajo cualquier sistema de referencia un fotón con helicidad R y lo mismo sucede para un fotón L. 

Sin embargo, en las partículas con masa un observador puede en principio desplazarse a mayor velocidad que dicha partícula de forma que puede adelantarla y observar que sucede con el sentido de giro del spin. ¿Qué sucederá entonces? ¿Cambiará la partícula su sentido de giro dependiendo de donde se encuentre el observador?

Si así fuese entonces el spin no sería una propiedad intrínseca de la partícula. Lo que sucede es lo siguiente: el observador que adelanta a la partícula ve que esta se aleja de el en sentido contrario, por tanto observará que (para el) ha invertido su sentido de movimiento y por tanto su helicidad, sin embargo, el sentido de giro del spin no cambia, lo que cambia es su helicidad. Debemos darnos cuenta de que la partícula no ha cambiado en absoluto, se trata de la misma partícula. Esto se entiende mejor en la siguientes figuras:


                                       

En la primera figura el observador antes de adelantar a la partícula observa una partícula de helicidad R. Al adelantar a la partícula, el observador ve una partícula que se desplaza hacia atrás, osea de helicidad L, pero el sentido de giro del spin, que es la magnitud fisicamente medible no cambia, en las partículas con masa la helicidad no es medible por los experimentos, los experimentos no distinguen entre por ejemplo un electrón R o un electrón L, sin embargo, el sentido de giro del spin si es medible (por ejemplo observando si el electrón se desvía hacia un lado u otro en un campo magnético). 

Por tanto, no es posible distinguir entre un sistema de referencia u otro tal y como establece la relatividad, incluso puede interpretarse que la naturaleza ha duplicado (pero solo a efectos matemáticos) la naturaleza del electrón para que los principios de la relatividad sean válidos, es decir, para que no haya ningún sistema de referencia privilegiado. Visto esto, podemos afirmar que la masa es algo que nos permite decir si la helicidad de una partícula es algo fundamental e intrínseco de esta o no: en las partículas sin masa sí lo es pero en las partículas con masa no, en éstas últimas la propiedad relacionada que sí es intrínsica de la partícula y por tanto independiente del observador es la quiralidad.

La quiralidad

En las partículas sin masa la quiralidad y la helicidad son la misma cosa. Una partícula será R o L en cualquier sistema de referencia. Sin embargo, las partículas con masa tienen helicidad R o L y una quiralidad independiente también R o L, solo que esta última es independiente del observador.

La quiralidad es un concepto más abstracto que el de helicidad y más difícil de definir. En los fermiones por ejemplo, que son los constituyentes de la materia, la quiralidad está relacionada con el hecho de que si giramos por ejemplo al electron 360º invertimos el estado cuántico del mismo (es decir lo encontramos multiplicado por -1) y solo cuando lo volvemos a girar otros 360º volvemos a obtener el electrón en el estado cuántico original. La quiralidad nos dice en que sentido se desplaza la fase de la función de onda cuando rotamos el electrón, en los electrones de quiralidad R al girar el electrón la fase de la función de onda se desplaza hacia la derecha y en los de quiralidad L hacia la izquierda: 



Al contrario que con la helicidad una partícula puede tener quiralidad R o L y no tener su contrapartida R o L. Las partículas con quiralidad R y L son partículas distintas, de hecho, en el caso del electrón, la partícula de quiralidad L es la que comunmente llamamos electrón mientras que la partícula con quiralidad R se denomina anti-positrón. Por tanto, dentro del "grupo electrón" se pueden distinguir 4 partículas diferentes: 

1- El electrón: Quiralidad L, carga eléctrica -1, con carga débil
2- El anti-electrón: Quiralidad R, carga eléctrica +1, con carga débil
3- El positrón: Quiralidad L, carga eléctrica +1, sin carga débil
4- El anti-positrón: Quiralidad R, carga eléctrica -1, sin carga débil

                     
 electrón                   anti-electrón (representado en verde)             positrón (con mostacho)     anti-positrón (en verde y con mostacho)

La carga débil es a la fuerza nuclear débil lo que la carga eléctrica es al electromagnetismo. La fuerza electromagnética se produce por el intercambio de fotones mientras que la fuerza débil por el intercambio de partículas W y Z, por tanto, ni el positrón ni el anti-positrón sienten la fuerza débil ya que no tienen carga débil. Esto significa que la naturaleza discrimina entre partículas de quiralidad R y partículas de quiralidad L.

Quiralidad, el Higgs y la masa

Aunque parezca increíble estos 3 elementos están intimamente relacionados. Si nos fijamos en el electrón y el anti-electrón nos damos cuenta de que para casi cualquier experimento físico, ambas son partículas muy parecidas: tienen la misma masa y la misma carga eléctrica aunque tienen distinta carga débil.

Las partículas con propiedades muy similares pueden experimentar un fenómeno cuántico denomiando "oscilación", es decir, pueden oscilar la una en la otra, formando una especie de superposición cuántica de ambas partículas (vease la oscilación de los neutrinos por ejemplo). Esto es exactamente lo que le sucede al electrón: lo que nosotros denominamos electrón es una mezcla de un electrón y un anti-positrón. 

El electrón es realmente la mezcla de un electrón y un anti-positrón. NOTA: En los libros de texto normalmente se los denomina electron "left-chiral" y electrón "right-chiral" respectivamente. Aquí hemos alterado ligeramente la notación por razones pedagógicas.

Sin embargo, como dijimos, el electrón tiene carga débil y el antipositrón no. ¿Que pasa con la conservación de esta carga? Aqui es donde entra el campo de Higgs. El campo de Higgs se encuentra "condensado" en el vacío cuántico, es decir, es un campo que permea todo el espacio. La partícula de Higgs es la vibración del campo de Higgs (al igual que el electrón es la vibración del campo electrónico) y es una partícula de spin 0 (por tanto es un bosón) y con carga débil. Este campo interacciona con todas las partículas (excepto las partículas sin masa como el fotón), cuando un electrón se desplaza por el espacio interacciona con el campo de Higgs lo que intercambia la carga débil (y la quiralidad) del mismo con la del Higgs, haciendo posible la oscilación entre el electrón y el anti-positrón. Esta interacción produce un retraso o un desfase temporal en el movimiento de la partícula y es precisamente esta interacción lo que "crea" o produce lo que nosotros llamamos masa. Cuanto mayor es esta interacción, más lentamente se mueve la partícula lo que se traduce en que nosotros medimos una masa mayor y viceversa.

El electrón al desplazarse por el vacío cuántico interacciona con el campo de Higgs (las cruces en la figura) produciendo la oscilación electrón-antipositrón. Esta oscilación puede entenderse como un grado de libertad extra de la partícula lo que se traduce a efectos físicos en que la partícula se mueve más lentamente: la partícula tiene masa.

NOTA: Como hemos señalado repetidamente esta explicación es válida solo para los electrones, otras partículas adquieren masa de una forma diferente.

Fuente:

Revolución Científica

El misterio de la luz del agujero de Andrómeda

La vecina galaxia de Andrómeda cuenta con un agujero negro que emite, en ocasiones, más luminosidad de la cabría esperar para su masa. ¿Por qué? De resolver este misterio astronómico se está encargando un equipo internacional de científicos entre los que se encuentran investigadores del Instituto de Ciencias del Espacio del CSIC.

Según publican los científicos en la revista Nature, existen fórmulas matemáticas que establecen cuál debe ser la luminosidad máxima de un objeto cósmico en función de su masa –conocida como la "luminosidad de Eddington"–. Por encima de este límite, por ejemplo, una estrella normal se descompondría. Para un agujero negro de masa una decena de veces superior a la del Sol, esta cifra es de 1x1032 vatios, un millón de veces mayor que la luminosidad del Sol. Sin embargo, el agujero negro de Andrómeda supera este límite en algunas ocasiones.

Esto ha llevado identificarlo como una fuente de rayos X ultraluminosa (ULX por sus siglas en inglés). Por lo general, se trata de emisiones intensas de rayos X que proceden de sistemas binarios formados por una estrella y un agujero negro que orbitan mutuamente entre sí a gran velocidad, y son consecuencia de las elevadas temperaturas que alcanza el gas de la estrella cuando cae hacia el agujero negro. Antes de ser engullida, esta materia crea un disco de acrecimiento alrededor del agujero negro y emite intensamente en rayos X. La luminosidad de este fenómeno depende de la masa del agujero negro, ya que cuanto más masivo sea, más potente será su campo gravitatorio y más materia será capaz de absorber, lo que le conferirá una mayor luminosidad. Dicho de otro modo, la ultraluminosidad del agujero en Andrómeda se debe al enorme banquete de estrellas que devora.

Los resultados obtenidos por esta investigación abren una nueva ventana de comprensión de los agujeros negros y su evolución en el universo.

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Muy Interesante

Experimentos: Equilibrios imposibles

Me llega este vídeo y parece mágico (no sé si yo podría hacerlo), pero la verdad es que se basa en un principio físico muy curioso, y en realidad es más fácil de lo que parece… no fácil, pero sí más fácil de lo que parece.

El vídeo:

El equilibrio tiene que ver con lo que se llama el “centro de masas” (parecido al centro de gravedad, disculpad que no entre en las diferencias). Se trata de el “punto medio de las masas” por decirlo rápidamente. Se puede considerar que es como si toda la masa del objeto estuviera concentrada en ese punto.

Si el objeto es homogéneo (de igual composición en todas partes) el centro de masas coincide con el centro geométrico. Por eso podemos sostener una bandeja vacía con un dedo colocándolo bajo su centro.

Saber si un objeto está en equilibrio es fácil, basta con que el centro de masas esté sobre la base (en la vertical). Si no es así, el objeto caerá.

Por eso, cuando vemos a alguien que sostiene un objeto apoyado en su centro de masas con un apoyo muy pequeño pensamos que un leve desplazamiento lo hará caer. Prueba con un palo, poniendo el dedo bajo el centro y verás como es así. Desde este punto de vista el ejercicio del vídeo sería tan difícil, que en la práctica sería imposible.

Pero si te fijas, los palos están curvados. De manera que los extremos están debajo del apoyo. En realidad el centro de masas de ese objeto está fuera del palo, en la mitad, pero por debajo.

Imagen: wikipedia

De esta forma el centro de masas al estar debajo del apoyo, nunca su vertical hacia abajo caerá fuera de la base… porque ya está debajo (!!) y el equilibrio es tremendamente estable, aunque no lo parezca.

Piénsalo de esta manera, para que el objeto caiga las bolas deben subir (!!) lo que va en contra de la gravedad.

Esta es otro montaje con la misma propiedad.

Siguiendo esta idea se hacen “sujetabolsos“. Aquí veis cómo son, no es para hacer publi y que compréis, no conozco a los vendedores. Conocida variante con dos tenedores para hacerlo en los bares.

Fijaos lo precario que puede ser el apoyo

Insisto, el centro de masas no coincide con el apoyo, está por debajo del apoyo. Eso es lo que hace el equilibrio tan estable.

No dejéis de hacerlo… y veréis qué divertido, y qué fácil.

El ilusionista hace creer que sólo el puede hacer lo que hace, el científico que cualquiera puede hacer lo que él hace… pero ambos hacen magia.

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La ciencia para todos

¿Como se “pesa” una partícula?

En física de partículas hay partículas ligeras y partículas pesadas, un electrón con 0.5 MeV/c² sería una partícula ligera, el bosón de Higgs con 126 GeV/c² (126 000 MeV/c²) sería una partícula bastante pesada. Al protón lo encontraríamos en la mitad de estos dos con alrededor de 1 GeV/c². Pero, ¿de que masas estamos hablando, cuanto es en kilogramos? y más aun ¿cómo se miden?

Veamos el extremo inferior ¿cuanto ‘pesa’ un electrón? Si cogiéramos una balanza y consiguiéramos medir su masa veríamos que esta es de 9 10^-28 gramos o lo que es lo mismo 0.0000000000000000000000000000009 kg. Podéis ir a comprobar vuestra balanza en casa que seguro que no llega a esta precisión (si el manual dice lo contrario esta mintiendo). La medición más precisa que se ha realizado midió hasta los yoctogramos (un yoctogramo es 10^-24 gramos) y fue realizada por un equipo del Institut Català de Nanotecnologia. Por medio de un sensor formado por nanotubos consiguieron medir la masa de un átomo de Xenón (54 protones y 77 neutrones). Consiguieron medir su masa con precisión de un protón (1.7 yoctogramos). Esto es realmente impresionante, pero es aun mucho mayor que el electrón. 

Entonces, ¿cómo conseguimos medir el electrón que es mil veces menos pesado?

Para ello tenemos que recurrir a la más famosa ecuación de Einstein, la que nos dice que energía es igual a masa E=mc². Bueno, en realidad no ha esta ecuación sino a la más general:

donde E es la energía de la partícula, es el momento , m es la masa y c es la velocidad de la luz.  Si para una partícula conocemos cada uno de los valores (energía y momento) podemos usando la ecuación calcular su masa. Esto es lo que se hace en los detectores de partículas. Como ya vimos en la entradas anteriores (event displays I y event displays II) los detectores están diseñados para conseguir medir con gran precisión estos dos valores de forma que podemos calcular la masa como : 

para mayor información en como se miden E y , ver las entradas. Pero pondré un pequeño ejemplo de como se han medido las masas de la mayoría de los iones. Para ello lo más fácil sería utilizar un espectrómetro de masas (abajo). Este dispositivo se basa en el uso de campos eléctricos y magnéticos conocidos. Si introducimos una partícula cargada dentro de un campo eléctrico esta sufrirá una aceleración debido al campo. Si además suministramos un campo magnético su dirección se cambiará (física general). La curvatura de la trayectoria depende de la relación masa / carga, con lo que conocida su carga podemos obtener la masa con gran precisión.

 

Pero esto no funcionaría con una partícula como el bosón de Higgs o los bosones Z / W, estas partículas son inestables, viven muy poco tiempo y se desintegran rápidamente. No podemos producirlas y hacerlas pasar por un espectrómetro de masas a nuestra voluntad. Tampoco podemos utilizar la formula de arriba ya que su vida es tan corta que no permite medir su energía y momento. ¿Como se hace entonces? Bueno, para ello tenemos que aplicar las leyes de conservación. Sabemos que la energía y el momento se conservan en los procesos físicos. Buscaremos las partículas en las que se desintegró el bosón (o la partícula inestable que queremos medir). Estas partículas tienen que ser estables de otro modo nos encontramos con el mismo problema que antes. Para estos productos de desintegración, que llamaremos (1) y (2), mediremos su energía y momento.  Podremos entonces calcular la masa de la partícula inicial como :

así pues hemos obtenido la masa de la partícula inestable, a este valor se lo conoce como masa invariante. 

Así se reconstruyeron y descubrieron los bosones Z y W por ejemplo. En la actualidad el bosón Z se crea en grandes cantidades en el LHC. Su masa es conocida con gran precisión y también los productos de su desintegración. Si observáramos al bosón Z desintegrarse veríamos que el 3% de las veces se desintegra a dos electrones. Si consiguiéramos aislar los sucesos donde el bosón se ha desintegrado en electrones y calculáramos la masa invariante obtendríamos el gráfico de abajo. En los datos de las colisiones no es posible aislar completamente del resto las colisiones donde se ha producido un bosón Z. Hay procesos que pueden dar también dos electrones sin ser el resultado de la desintegración del bosón. Esto significa que si utilizáramos datos reales de colisiones en vez de una simulación como es este caso, el pico sería más difícil de distinguir.

 

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Hora Cero

Descubren una estrella gigante con el mayor campo magnético jamás observado

La estrella masiva más magnética vista hasta ahora está arrastrando una capa gigante de partículas cargadas atrapadas a su alrededor.

Esta estrella recién descubierta, NGC 1624-2, podría ayudar a arrojar luz sobre el papel que el magnetismo de las estrellas tiene en la evolución de las estrellas y sus galaxias.

NGC 1624-2, que se encuentra a unos 20.000 años luz de la Tierra, en la constelación de Perseo, tiene cerca de 35 veces la masa del sol. Su gran masa indica que posee una gran cantidad de combustible, lo que indica que es brillante y caliente, y, por lo tanto, es probable que se queme con relativa rapidez, después de una vida de unos 5 millones de años, o una décima parte del 1 por ciento de la actual edad de muestro sol.

Esta estrella masiva posee un campo magnético 20.000 veces más fuerte que el del propio sol y casi 10 veces más fuerte que el detectado en torno a cualquier otra estrella de gran masa.

“Los campos magnéticos de esta fuerza son extremadamente raros, sólo se sabe que existen en algunas estrellas con una masa mucho menor”, comento el autor principal del estudio Gregg Wade, un astrónomo del Royal Military College de Canadá. ”Encontrar un campo tan fuerte es ser muy afortunado.”

“Este campo magnético potente une y controla el viento estelar de partículas energéticas que fluyen de NGC 1624-2 arrastrándolo a una gran distancia de la estrella, 11,4 veces el radio de la estrella. El gran volumen de esta magnetosfera es notable. Esto es más de cuatro veces mayor que la de cualquier otra estrella masiva comparable, y en términos de volumen es unas 80 veces más grande.”

Aunque NGC 1624-2 es la más magnética de todas las estrellas masivas conocidas, algunas estrellas de masa intermedia tienen campos magnéticos tal vez dos veces más fuerte, dijo Wade. (Nuestro sol y otras estrellas similares están considerados como astros de baja masa.)

Además, este poderoso campo magnético de NGC 1624-2 podría palidecer en comparación con el que exhiben los magnetares – densos restos de estrellas muertas que son a menudo considerados como los objetos con mayor campo magnetico del universo.

El campo magnético de NGC 1624-2 es de aproximadamente 20.000 gauss en la superficie de la estrella. Un magnetar típico puede tener un campo en el orden de 10 billones de gauss, por lo que la fuerza del campo del magnetar es mucho más grande, unos 500 millones de veces mayor.

Sin embargo, la base estándar para comparar como de grande es un campo magnético implica al flujo magnético sobre todo el área de la superficie de la estrella, por lo que, en este caso, el flujo de NGC 1624-2 es casi 700 veces mayor que el de un magnetar típico.

En otras palabras, si NGC 1624-2 se derrumbase súbitamente hasta alcanzar el tamaño de un magnetar, conservando todo su magnetismo, tendría un campo magnético superficial de cerca de 10.000 billones de gauss.

El campo magnético de la estrella influye en la estructura interna de la materia dentro de NGC 1624-2, afectando a su vida desde el nacimiento hasta que finalice su existencia con una muerte violenta como una explosión de supernova. Sin embargo, los procesos fundamentales que producen los campos magnéticos de las estrellas masivas siguen sin comprenderse bien.

“Necesitamos observaciones de estrellas similares a NGC 1624-2 para enseñarnos lo que realmente está pasando”, dijo Wade.

La estrella es a la vez distante y se encuentra rodeada por el polvo. Para estudiar su luz en detalle, el equipo internacional de científicos observó esta estrella con el inmenso poder de recolección de luz del espejo del Telescopio Hobby-Eberly en el McDonald Observatory de la Universidad de Texas en Austin. Sus observaciones sugieren que la estrella está rotando muy lentamente, tomando unos 160 días terrestres en girar una vez sobre su eje. En comparación, el sol tarda cerca de 25 días.

“Creemos que la estrella es más lento porque tiene que arrastrar su viento que la rodea -ya que el viento está enlazado con el campo magnético”, dijo Wade. ”Esto es algo que tiene que ser probado, pero parece lo más probable.”

El equipo también midió la fuerza del campo magnético de la estrella usando el Telescopio Canadá-Francia-Hawaii en Mauna Kea en Hawai. Específicamente, observaron pequeñas variaciones en la dirección de la rotación de las ondas electromagnéticas absorbidas o emitidas por los átomos situados en el campo magnético.

“Un exceso de rotación de las ondas en el sentido de las agujas del reloj indican que el campo magnético está apuntando hacia nosotros, mientras que un exceso de rotación en sentido antihorario señalaría que el campo magnético se encuentra en la dirección opuesta a nosotros”, dijo Wade. ”Cuanto mayor sea el exceso, mayor será el campo magnético. Estos excesos son generalmente muy pequeños, y requieren muchas observaciones, además de un cuidadoso procesamiento de los datos para desentrañar la señal. Pero en el caso de NGC 1624-2, era obvio desde nuestras propia primeras observaciones de que un campo magnético muy fuerte estaba presente.”

Aun se necesita una mayor comprensión en como intervienen las estrellas masivas en la formación de otros soles o dan forma a las galaxias enteras. El poderoso campo magnético de NGC 1624-2 y sus efectos sobre su viento estelar bien pueden haber influido en el tasa de nacimiento de estrellas en la nebulosa donde nació y el clúster circundante “, dijo Wade. ”El magnetismo es un fenómeno esencialmente invisible incluso para la mayoría de los astrónomos y puede tener un impacto extraordinario”.

“La pregunta más importante que tratamos de responder es: ¿Cuál es el origen del magnetismo en las estrellas masivas?¿de dónde y cómo nacen los intensos campos magnéticos?” ”Creemos que esto debe suceder cuando las estrellas son muy jóvenes. Recientemente se ha sugerido que las colisiones estelares y las fusiones durante la formación de las estrellas puede ser responsables de estos efectos. Un próximo paso importante es investigar estas primeras etapas de la evolución así como examinar las propiedades magnéticas de los sistemas estelares binarios, ya que estos pueden representar ejemplos de sistemas que sufrieron encuentros al principio de su historia”.

Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 11 de septiembre de la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.

Fuente:

Espacio Profundo