Archivos del mes: julio 2011

Físicos recrean el ‘final del tiempo’ en un laboratorio

Artículo publicado el 26 de julio de 2011 en The Physics ArXiv Blog

¿Alguna vez te has preguntado qué sucedería si de pronto se terminase la dimensión temporal? Un nuevo experimento lo revela.

Una de las áreas más apasionantes de la ciencia es el emergente campo de los análogos del espacio-tiempo. Ésta es la disciplina en la cual los físicos juegan con sistemas que tienen un vínculo matemático formal con la relatividad general.

El final del tiempo © by ♀Μøỳαл_Bгεлл♂

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Localizan la región del jet de un agujero negro supermasivo donde se producen los rayos gamma

Artículo publicado el 28 de julio de 2011 en Ciencia Directa

La astronomía en rayos gamma estudia los objetos más energéticos del universo y, desde sus comienzos hace apenas medio siglo, ha lidiado con un problema gave:determinar de forma precisa y fidedigna la región de donde procede la radiación que llega a los detectores de rayos gamma que permite a su vez averiguar el mecanismo a través del que se produce. Ahora, un rupo internacional liderado por astrónomos del Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC ha localizado, por primera vez sin la aplicación de modelos y con un grado de confianza superior al 99,7%, la región de la que surgió un destello en rayos gamma en el blázar AO 0235+164. Esta localización ha permitido determinar el mecanismo que produjo el estallido.

Diagrama del jet del agujero negro © by Ethan Hein

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Archaeopteryx deja de ser el primer pájaro

Artículo publicado por Matt Kaplan el 27 de julio de 2011 en Nature News

Se acumulan las pruebas que demuestran que el famoso fósil está más estrechamente relacionado con el Velociraptor.

Un análisis de los rasgos del fósil sugiere que Archaeopteryx no es un pájaro después de todo. El último descubrimiento de un fósil que traza la línea entre pájaros y dinosaurios no aviares está llevando a los paleontólogos a re-evaluar la criatura que se ha considerado como eslabón evolutivo entre ambos.

archaeopteryx © by denn

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Raros volcanes descubiertos en el lado oculto de la Luna

Artículo publicado por Nola Taylor Reed el 26 de julio de 2011 en Scientific American

Los volcanes durmientes en el lado oculto de la Luna ofrecen una forma alternativa de esculpir la superficie lunar.

Escondido de los ojos terrestres, el lado oculto de la Luna es hogar de un raro conjunto de volcanes durmientes que cambiaron la cara de la superficie lunar, según ha encontrado un nuevo estudio.

Datos e imágenes del Orbitador de Reconocimiento Lunar (LRO) de la NASA revelan la presencia de volcanes de silicatos ya muertos, no como los volcanes basálticos más comunes que salpican la superficie lunar, dicen los investigadores.

Luna © by jurvetson

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WISE encuentra el primer asteroide troyano de la Tierra

Artículo publicado el 27 de julio de 2011 en la web del JPL

Los astrónomos que estudian las observaciones tomadas por la misión Explorador Infrarrojo de Gran Angular (WISE) de la NASA han descubierto el primer asteroide “Troyano” conocido orbitando el Sol junto a la Tierra.

Los troyanos son asteroides que comparten una órbita con un planeta cerca de puntos estable frente o detrás del planeta. Debido a que constantemente están por delante o por detrás del planeta en la misma órbita, nunca pueden colisionar con él. En nuestro Sistema Solar, los Troyanos comparten órbitas con Marte, Neptuno y Júpiter. Dos de las lunas de Saturno comparten órbita con Troyanos.

2010 TK7 en verde © by Kanijoman

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Bosones y fermiones, esos famosos desconocidos.

Muchas veces leemos en textos divulgativos que las partículas son fermiones o bosones y que eso es muy importante, principalmente porque los fermiones satisfacen el Principio de exclusión de Pauli y los bosones no.  Es decir, dos o más fermiones no pueden estar en el mismo estado y sin embargo los bosones sí pueden.

Esto da lugar a curiosos y determinantes fenómenos que configuran la forma de comportarse de nuestro universo.  Por decir alguno, el principio de exclusión de Pauli controla cómo se llenan los orbitales atómicos, lo cual determina la química en alto grado.  Y para los bosones, que pueden estar todos en el mismo estado, permite que haya cosas como los condensados de Bose-Einstein.

En esta entrada lo único que nos proponemos es clarificar qué es un fermión y qué es un bosón y explicar de dónde sale el Principio de exclusión de Pauli.  Y para hacer eso lo primero que tenemos que hacer es explicar un poco qué es el espín de una partícula.

El espín

Las partículas están fundamentalmente caracterizadas por su masa y su carga.  El electrón es un electrón porque es una partícula que tiene la masa del electrón y la carga del electrón (por supuesto existen otras cargas, la carga de color que controla la interacción fuerte, el sabor, etc.).  Pero además de esto se descubre que las partículas tienen otra propiedad denominada espín. Ésta es una característica inherente a las partículas, como su masa o su carga.  Esta característica no tiene análogo clásico, es decir, desde el punto de vista no cuántico el espín de las partículas es irrelevante.  Se puede buscar la analogía con un giro de la partícula sobre sí misma, pero la analogía es limitada y por supuesto incorrecta.  Así que en vez de hablar de giros simplemente asumiremos que una partícula viene determinada por su masa, su carga y su espín.

El espín tiene su importancia ya que la distinción entre fermiones y bosones se basa en los valores que puede tomar esta característica.  El espín se mide en unidades de la constante de Planck:

[latex]\hbar=\frac{h}{2\pi}[/latex]

 

y los valores que puede tomar son 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…  Así podemos decir:

Los fermiones son las partículas con espín semientero y los bosones son las partículas con espín entero.

¿Y eso qué implica?, ¿por qué dos o más fermiones no pueden estar en el mismo estado y los bosones sí?

Esta pregunta se resuelve fácilmente mediante un teorema, se llama teorema espín-estadística.  No entraremos a formular el teorema ni su demostración, aunque  es muy divertido, pero lo enunciaremos y pondremos un simple ejemplo (totalmente inventado) para ver qué implica.

Teorema Espín-Estadística

Si tenemos dos partículas fermiónicas el estado total de ambas partículas se escribirá como una combinación antisimétrica de los estados individuales de cada una de ellas.

Si tenemos dos partículas bosónicas el estado total de ambas partículas se escribirá como una combinación simétrica de los estados individuales de cada una de ellas.

Inventemos una característica imaginaria, pura fantasía, pero que servirá para capturar la esencia de todo esto.

Supongamos que tenemos una partícula y que el estado de tal partícula es ser peluda o ser calva.

Si tengo dos partículas entonces está claro que las combinaciones son:

1º partícula peluda – 2º partícula peluda
1º partícula peluda – 2º partícula calva
1º partícula calva – 2º partícula peluda
1º partícula calva – 2º partícula calva

Si las partículas son fermiones el teorema espín-estadística nos dice que el estado total tiene que ser antisimétrico.  ¿Y eso cómo se come?

Eso es fácil, un estado es antisimétrico cuando al cambiar la característica de interés de la partícula 1 a la 2 el estado cambia de signo.  Así que sólo nos queda una opción en este ejemplo inventado:

[latex]|Estado_{total}\rangle=|1 peluda\rangle |2 calva\rangle -|1 calva\rangle |2 peluda\rangle [/latex]

 

Si intercambiamos la característica de 1 a 2 y viceversa nos queda:

[latex]|Estado_{total}’\rangle = |1 calva\rangle |2 peluda\rangle -|1 peluda\rangle |2 calva\rangle[/latex]

 

Pero observemos que:

[latex]|Estado_{total}’\rangle = |1 calva\rangle |2 peluda\rangle -|1 peluda\rangle |2 calva\rangle = -\left(|1 peluda\rangle |2 calva\rangle -|1 calva\rangle |2 peluda\rangle\right)=-|Estado_{total}\rangle[/latex]

Análogamente los bosones tienen que ser combinaciones simétricas, y suponemos que ahora no será fácil de imaginar que dichas combinaciones son las que no cambian de signo al cambiar la característica de interés de la partícula 1 a la 2 y viceversa.

Por lo tanto, para bosones tendremos:

[latex]|Estado_{total}\rangle = |1 peluda\rangle |2 calva\rangle +|1 calva\rangle |2 peluda\rangle[/latex]

Si ahora cambiamos de 1 a 2 y viceversa lo que encontramos es que el nuevo estado es:

[latex]|Estado_{total}’\rangle = |1 calva\rangle |2 peluda\rangle +|1 peluda\rangle |2 calva\rangle = \left(|1 peluda\rangle |2 calva\rangle -|1 calva\rangle |2 peluda\rangle\right)=|Estado_{total}\rangle[/latex]

Así que no hay cambio de signo alguno.

Principio de Exclusión de Pauli

Como hemos dicho, y seguro que lo habéis leido por ahí o incluso estudiado, el principio de exclusión de Pauli nos dice:

Dos o más fermiones no pueden estar en el mismo estado.

Ahora podemos ver que eso es así, sin más que mirar qué le pasa al estado total de un par de fermiones cuando imponemos que estén en el mismo estado.  Elijamos que queremos que ambos fermiones sean peludos.

[latex]|Estado_{total}’\rangle = |1 peluda\rangle |2 peluda\rangle -|1 peluda\rangle |2 peluda\rangle =0[/latex]

Efectivamente el estado da cero, no existe, no se pueden tener dos fermiones en dicho estado.  Y esto es fundamental para el comportamiento de la materia que nos rodea, que está controlada fundamentalmente por electrones y los electrones son fermiones.

De hecho si forzamos a los fermiones a estar en el mismo estado aparece una fuerza de repulsión que se opone a que los fermiones estén todos en el mismo estado.  Este proceso es fundamental para entender la estructura de las estrellas de neutrones y de las enanas blancas. Os recomendamos que busquéis información al respecto y a la vista de esta entrada veréis como todo adquiere un nuevo sentido.

Para los bosones esto no aplica, a los bosones no les importa estar todos en el mismo estado y de hecho muchas veces lo prefieren, y esto da lugar a cosas tan espectaculares como los condensados de Bose-Einstein.  Pero esta es otra historia…


Para cualquier comentario, apreciación, crítica o pregunta no dudéis en pasaros por el nuevo foro oficial de Ciencia Kanija vinculado con http://cuentos-cuanticos.es/smf

Enrique es un convencido de que cualquiera puede entender la física. Consumidor irreverente de divulgación, blogs, foros, etc hace unos días decidió empezar a divulgar a su forma. Pudo engañar a unos amigos y se abrió Cuentos Cuánticos. Además, cuando tiene tiempo, hace cosas de física, pero sin agobiarse.

La probabilidad de vida ET es arbitrariamente pequeña

Artículo publicado el 25 de julio de 2011 en The Physics ArXiv Blog

Los astrónomos siempre han pensado que debido a que la vida surgió tan rápidamente en la Tierra, debe ser posible que suceda en otros lugares. Esa idea resulta ahora ser incorrecta.

La ecuación de Drake es una de esas raras bestias matemáticas que se ha filtrado a la consciencia colectiva. Estima el número de civilizaciones extraterrestres que podríamos ser capaces de detectar actualmente, o en un futuro cercano.

Otro lugar © by Robert Couse-Baker

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Estudio de microondas hace estallar la burbuja de Hubble

Artículo publicado por Hamish Johnston el 26 de julio de 2011 en physicsworld.com

La expansión acelerada del universo no puede explicarse a través de que la Tierra resida en un vacío cósmico. Ésta es la conclusión de físicos de China y Estados Unidos, que han demostrado que la radiación del fondo de microondas cósmico (CMB) no ha pasado a través de una “burbuja de Hubble” antes de llegar a la Tierra.

En 1997 la comunidad física quedó impactada cuando un estudio del movimiento de las supernovas lejanas sugirió que la tasa de expansión de universo estaba aumentando con el tiempo – en lugar de decrecer gracias a al tirón hacia dentro de la gravedad. La energía oscura es la misteriosa sustancia que muchos físicos creen que está dirigiendo esta expansión acelerada, pero también se han propuesto otras explicaciones.

Cosmic Microwave Background (CMB) © by Undertow851

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Encélado lanza una lluvia de agua sobre Saturno

Artículo publicado el 26 de julio de 2011 en la web de ESA

El observatorio espacial Herschel de ESA ha demostrado que el agua expulsada desde la luna Encélado forma un toro gigante de vapor de agua alrededor de Saturno. El descubrimiento resuelve un misterio de 14 años al identificar la fuente de agua de la atmósfera superior de Saturno.

Los últimos resultados de Herschel indican que Encélado es la única luna del Sistema Solar que se sabe que influye en la composición química de su planeta padre.

Chorros de Encélado © by Lights In The Dark

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NASA publica un nuevo análisis de la anomalía Pioneer

Artículo publicado el 20 de julio de 2011 en The Physics ArXiv Blog

La misteriosa fuerza que actúa sobra las naves Pioneer parece estar bajando exponencialmente. Ésta es una gran pista de que el calor de a bordo es el culpable, dice la NASA.

A principios de la década de 1970, NASA envió dos naves en una montaña rusa hacia el Sistema Solar exterior. Pioneer 10 y 11 viajaron más allá de Júpiter (y Saturno en el caso de Pioneer 11) y ahora se dirigen hacia el espacio interestelar.

Pioneer 10 / 11, reconstruidas a tamaño natural © by cliff1066

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