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:

\hbar=\frac{h}{2\pi}

 

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:

|Estado_{total}\rangle=|1 peluda\rangle |2 calva\rangle -|1 calva\rangle |2 peluda\rangle

 

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

|Estado_{total}'\rangle = |1 calva\rangle |2 peluda\rangle -|1 peluda\rangle |2 calva\rangle

 

Pero observemos que:

|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

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:

|Estado_{total}\rangle = |1 peluda\rangle |2 calva\rangle +|1 calva\rangle |2 peluda\rangle

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

|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

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.

|Estado_{total}'\rangle = |1 peluda\rangle |2 peluda\rangle -|1 peluda\rangle |2 peluda\rangle =0

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.

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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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El viaje en el tiempo es imposible

Artículo publicado el 25 de julio de 2011 en Cosmos Magazine

Físicos de Hong Kong dicen haber demostrado que un fotón aislado obedece la teoría de Einstein de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz – demostrando que, fuera de la ciencia ficción, el viaje en el tiempo es imposible.

El equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, liderado por Du Shengwang dijo que habían demostrado que un fotón aislado, o la unidad de luz, “obedece las leyes de tráfico del universo”.

Tiempo © by Edur8

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Cómo encontrar la partícula de Higgs

Artículo publicado por Kurt Riesselmann el 22 de julio de 2011 en Symmetry Breaking

Experimentos en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y el centro europeo de física de partículas (CERN), están investigando la región de masa final restante donde podría estar merodeando la partícula de Higgs. A lo largo de los próximos siete días, las colaboraciones CDF y DZERO del Fermilab y ATLAS y CMS del CERN anunciarán sus últimos resultados en la conferencia de Física de Alta Energía en la Sociedad Física Europea.

Los científicos de Fermilab y CERN emplean métodos muy similares para crear el Higgs: Acelerar partículas a altas energías usando los aceleradores más potentes del mundo, el Tevatron (1 TeV de energía del haz) y el Gran Colisionador de Hadrones (3,5 TeV), hacer chocar las partículas entre sí, y bucear entre el gran número de nuevas partículas que surgen de esas colisiones. Pero para encontrar una partícula de Higgs entre las muchas partículas creadas, los equipos de científicos se centran en diferentes señales.

LHC cerca del punto 5 © by µµ

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El incremento de partículas en la atmósfera ha contrarrestado parte del calentamiento global

Artículo publicado el 21 de julio de 2011 en la web de NOAA

Un reciente incremento en la abundancia de partículas en la parte alta de la atmósfera ha contrarrestado aproximadamente un tercio de la influencia real del calentamiento global debida al dióxido de carbono (CO2) durante la pasada década, de acuerdo con un estudio liderado por NOAA y publicado en la edición on-line de la revista Science.

En la estratosfera, kilómetros por encima de la superficie de la Tierra, pequeñas partículas aéreas reflejan la luz solar de vuelta al espacio, lo que lleva a un enfriamiento en el suelo. Estas partículas se conocen como “aerosoles”, y el nuevo artículo explora sus efectos recientes sobre el clima – las razones tras su incremento son tema de una investigación en curso.

Atmósfera terrestre

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Hubble descubre otra luna alrededor de Plutón

Artículo publicado el 20 de julio de 2011 en la web de NASA

Astrónomos que usan el Telescopio Espacial Hubble descubrieron una cuarta luna orbitando el helado planeta enano Plutón. El diminuto nuevo satélite, temporalmente nombrado como P4, se descubrió en un estudio de Hubble buscando anillos alrededor del planeta enano.

La nueva luna es la menor descubierta alrededor de Plutón. Tiene un diámetro estimado de 13 a 34 km. En comparación, Caronte, la mayor luna de Plutón, tiene 1043 km de diámetro, y las otras lunas, Nix e Hydra, están en el rango de los 32 a 113 km.

Sistema de lunas de Plutón © Crédito NASA, ESA

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Experimento del Fermilab descubre un pariente pesado del neutrón

Artículo publicado por Rhianna Wisniewski el 20 de julio de 2011 en Symmetry Breaking

Científicos de la colaboración CDF del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía anunciaron la observación de una nueva partícula, el neutro Xi-sub-b (Ξb0). Esta partícula contenía tres quarks: Un quark strange, un quark up y uno bottom(s-u-b-) Aunque su existencia se predice en el Modelo Estándar, la observación del neutro Xi-sub-b es significativo debido a que refuerza nuestra comprensión de cómo los quarks forman la materia. El físico de Fermilab, Pat Lukens, miembro de la colaboración CDF, presentó el descubrimiento en el Fermilab el miércoles 20 de julio.

Sala de control de CDF © Crédito solarnu

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Una superburbuja cósmica

Artículo publicado el 20 de julio de 2011 en la web de ESO

El Telescopio Muy Grande de ESO capturó esta vista impresionante de la nebulosa alrededor del cúmulo de estrellas NGC 1929 en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de nuestra Vía Láctea. Esta guardería estelar está dominada por un ejemplar colosal de lo que los astrónomos llaman una superburbuja. Su forma está siendo esculpida por los vientos de brillantes estrellas jóvenes y las ondas expansivas de las explosiones de supernovas.

Superburbuja LHA 120-N 44 en la Gran Nube de Magallanes © Crédito ESO

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¿Qué mantiene caliente a la Tierra?

Artículo publicado por Paul Preuss el 17 de julio de 2011 en Berkeley Lab

Científicos del Laboratorio Berkeley se unen a colegas de KamLAND para medir las fuentes radiactivas del flujo de calor de la Tierra.

¿Qué separa los lechos oceánicos y mueve los continentes? ¿Qué funde el hierro en el núcleo externo y permite el campo magnético terrestre? El calor. Los geólogos han usado medidas de temperatura procedentes de más de 20 000 perforaciones en todo el mundo para estimar que unos 44 terawatts (44 billones de watts) de calor fluyen continuamente desde el interior de la Tierra al espacio.¿De dónde proceden?

Corte de la Tierra

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Dawn en Vesta

Artículo publicado por Nadia Drake el 18 de julio de 2011 en Science News

Nueva imagen del asteroide por la misión de la NASA

La primera imagen en primer plano de un asteroide del cinturón principal revela un mundo rocoso con una superficie llena de cráteres, gargantas paralelas y cordilleras dentadas. La fotografía de Vesta se tomó desde la nave Dawn de la NASA, que entró en órbita alrededor del segundo asteroide más grande del cinturón principal a primera hora de la mañana del 16 de julio.

Vesta © Crédito NASA

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Energía oscura observada en el fondo de microondas cósmico

Artículo publicado por Colin Stuart el 15 de julio de 2011 en physicsworld.com

Los astrónomos que estudian el fondo de microondas cósmico (CMB) han descubierto una nueva prueba directa de la energía oscura – la misteriosa sustancia que parece acelerar la expansión del universo. Sus hallazgos podrían también ayudar cartografiar la estructura de la materia oscura en las mayores escalas de longitud del universo.

El CMB es el débil resplandor restante del inicio del universo en el Big Bang. Alrededor de 400 000 años después de su creación, el universo se había enfriado lo suficiente para permitir que los electrones se uniesen a los núcleos atómicos. Esta “recombinación” liberó la radiación del CMB de la densa bruma de plasma que la contenía. Telescopios espaciales tales como WMAP y Planck han cartografiado el CMB y encontraron su presencia en todas las partes del cielo, con una temperatura de 2,7 K. No obstante, las medidas también mostraron minúsculas fluctuaciones en esta temperatura en una escala de una parte por millón. Estas fluctuaciones siguen una distribución Gaussiana.

Fondo de Microondas Cósmico © Crédito Undertow851

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Astrónomos descubren una posible exotierra habitable orbitando una estrella binaria

Artículo publicado el 18 de julio de 2011 en The Physics ArXiv Blog

Soles rojos y naranjas iluminarían los cielos de las exotierras más exóticas descubiertas hasta el momento.

En los últimos años, la búsqueda de un planeta similar a la Tierra que orbite otra estrella ha sido el tema más apasionante en la ciencia. El mundo ha esperado conteniendo la respiración el descubrimiento de otra Tierra.

Atardecer binario

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