domingo, 29 de enero de 2012

El mayor enigma de la física moderna - La teoría de cuerdas

En esta imagen vemos la estructura del mundo subatómico, 
estructura basada en las cuerdas, en la cual se basa la teoría
de cuerdas

El universo, en la actualidad, se rige por dos leyes fundamentales que tratan de dos mundos completamente diferentes pero relacionados entre sí. Al agrupar estas teorías para explicar alguno de los grandes enigmas por los que se rige nuestro universo encontramos que se contradicen. Einstein se tomó como un desafío el intentar agrupar estas dos teorías en una capaz de explicar todo el universo. En la actualidad algunos científicos creen que la respuesta se haya en la teoría de cuerdas también conocida como la teoría del todo, basada en unas cuerdas que vibran como las   cuerdas de una guitarra.





Podemos observar como la Tierra ejerce una ondulación 
en el tejido espacial lo cual va a provocar la atracción gravita-
toria de la que nos habla Einstein en la teoría de la relatividad 
Todo comenzó con una manzana, podemos observar como a ido evolucionando la física hasta este punto mediante las otras entradas de mi blog.

En la ciencia moderna se cree que las leyes que rigen el universo son:
- La teoría de la relatividad: Es un estudio de el macro universo, las galaxias, las estrellas...
- Mecánica cuántica: Estudia las partículas más pequeñas del universo, las partículas subatómicas.

Éstas teorías son fiables en su propio campo pero ¿Que pasa cuando las unimos para resolver los grandes enigmas del universo? Encontramos numerosas contradicciones entre ellas por lo que se produce una catástrofe dentro de la física. Un claro ejemplo lo encontramos en la teoría del Big Bang. Teoría que se basa en que una partícula subatómica que estalla formando todo el universo que conocemos hoy en día. Cuando intentamos explicar dicha teoría a través de la relatividad y la mecánica cuántica encontramos sus contradicciones, por tanto, si juntando estas dos teorías no llegamos a una clara conclusión habría que elaborar otra teoría, agrupando los conocimientos de ambas leyes, que de ser cierta explicaría estos grandes enigmas y sería el mayor logro de la física en la historia.




 Este vídeo trata sobre una breve pero concisa explicación de lo que consiste la teoría de cuerdas además conviene verlo para entender la posición de esta teoría y sus objetivos en la ciencia




¿Por qué ambas leyes se contradicen?

Los objetos de mayor tamaño son estudiados por la teoría de la relatividad, la atracción gravitacional que mantiene a la Tierra en órbita, se mantiene gracias a las curvaturas que hace el astro rey en el tejido espacial. Pero el espacio va mas allá, si nos adentramos en el mundo mas pequeño entonces recurrimos a la mecánica cuántica. Es una visión totalmente diferente, pasamos de una visión tranquila y predecible que nos ofrece la teoría de la relatividad a una visión de las partículas mas diminutas, basadas en un entorno caótico, un mundo turbulento que desafía al sentido común, donde los conceptos tan básicos como el de izquierda y derecha, arriba y abajo desaparecen, es un mundo donde no se puede conocer todo, donde los átomos no se rigen por las leyes básicas a las que estamos acostumbrados.
Las partículas subatomicas son las que 
rigen el comportamiento de nuestro 
universo y su funcionamiento es lo que 
busca la teoría de cuerdas

 El espacio y el tiempo en la que se basa la mecánica cuántica se basa es turbulento y caótico, es totalmente diferente al de la relatividad general ya que es tranquilo y predecible.


Algunos científicos creen que todo se puede explicar a través de una única teoría que abarca tanto lo gigantesco como lo diminuto a través de una sola explicación, que albergue tanto a la mecánica cuántica como a la relatividad. La teoría de cuerdas no describe los componentes básicos como puntos o bolitas sino que los describe como unos hilos vibrantes de energía llamadas cuerdas.


El concepto en el que se basa la teoría de cuerdas es el de otras dimensiones ya que esta teoría cree en la existencia de otras dimensiones paralelas que no alcanzamos a percibir, dimensiones millones de veces más pequeñas que un átomo. La teoría de cuerdas cree que hay seis de estas dimensiones que afectan a nuestra vida debido a su forma y estilo.

NO SABEMOS DE SU EXISTENCIA ya que esta teoría no se puede demostrar en un laboratorio porque muchos de los principios en los que se basa simplemente no se pueden analizar ni someter a crítica por lo que no se puede demostrar ni que exista ni que no exista por lo que esta teoría podría ser una teoría del todo o de la nada.


Este vídeo, aunque es un tanto cómico, refleja muy bien la rivalidad entre las diferentes teorías acerca de este mismo campo de la ciencia al no poderse demostrar cual de las teorías es la cierta.


Bibliografia:
http://www.nuclecu.unam.mx/~alberto/physics/cuerdas.html
http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/La_Teoria_de_Cuerdas/La_Teoria_de_Cuerdas.php
http://www.cienciakanija.com/tag/teoria-de-cuerdas/
http://www.cuanticamania.com/2010/02/la-teoria-de-las-cuerdas-universos.html
http://video.google.com/videoplay?docid=3210989742502918785: - Documental

martes, 17 de enero de 2012

LA ANTIMATERIA


  La antimateria, a diferencia de la materia que está compuesta por partículas ordinarias, se compone por antipartículas: antielectrones o positrones (electrones con carga positiva), antiprotones (protones con carga negativa) y antineutrones (sin carga).

Partículas                   Antipartículas

  Las partículas y antipartículas tienen la misma masa y espín, pero sus cargas eléctricas son opuestas.
  Cuando la materia y la antimateria entran en contacto se produce la aniquilación de ambas, es decir, una transformación que da lugar a fotones de alta energía (rayos gamma) y otros pares partícula-antipartícula.
  Para diferenciar las antipartículas se usa una barra horizontal: protón p y antiprotón -->          y también la diferencia de carga eléctrica: electrón ey positrón e+.

Vídeo explicación de producción y almacenamiento.


¿Dónde podemos encontrarla?
  En el origen del universo existían materia y antimateria en las mismas proporciones. Sin embargo, nuestro universo está compuesto aparentemente solo por partículas. La bariogénesis, proceso que intenta explicar la causa de la asimetría entre la cantidad de materia y antimateria existente en nuestro universo, contempla, fundamentalmente, dos posibilidades:
1.- Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: supone que en las proporciones iniciales antes del Big Bang había un poco más de materia que de antimateria, lo que daría como resultado nuestro actual universo formado por materia.
2.- Asimetría CP: Un reciente experimento sugiere que las partículas y antipartículas no tienen las mismas propiedades y que, por tanto, las leyes físicas favorecen la supervivencia de la materia.

Historia
  En 1928, Paul Dirac formuló la ecuación de Dirac con la que predijo la existencia de antipartículas.
Paul Dirac

  En 1932 se detectó experimentalmente el positrón y, en 1955, el antiprotón y el antineutrón.
  Fue en 1965 cuando se consiguió crear un antideuterón: un antiprotón + un antineutrón.
En 1995, el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) creó 9 átomos de antihidrógeno y, más tarde, 100 átomos.
  Después, se creó el helio antiprotónico, átomo formado por 2 protones, 2 neutrones, un electrón y un antiprotón; y que sobrevivió 15 millonésimas de segundo.

Formación del helio antiprotónico.

   En 2009, la NASA descubrió rayos de antimateria producidos en tormentas eléctricas por rayos gamma terrestres generados en el interior de estas tormentas y directamente relacionados con los relámpagos.
En 2010, el CERN logró crear 38 átomos de antihidrógeno y conservarlos alrededor de 1/6 de segundo. En 2011, consiguieron crear más de 300 átomos de antihidrógeno y almacenarlos casi 17 minutos.





Producción y costo de la antimateria
  La antimateria es la sustancia más cara del mundo. La producción de 1mg cuesta unos 60.000 millones de dólares. Además, su producción supone unas cantidades enormes de energía y su mantenimiento o almacenamiento en campos electromagnéticos, es muy poco eficiente y rentable.
  La NASA propone almacenar mediante campos magnéticos la antimateria que se genera de forma natural en los Cinturones de Van Allen de la Tierra, ya que la mayoría de los antiprotones provienen de antineutrones, que se generan cuando rayos cósmicos impactan en las capas superiores de la atmósfera y los antiprotones tienden a acumularse a cientos de km sobre la Tierra, donde hay tan poca materia que es muy improbable que se junten con los protones y se aniquilen.

Usos
  En la actualidad, ya se ha puesto en práctica la Tomografía por Emisión de Positrones (TEP), técnica de diagnóstico e investigación, capaz de medir la actividad metabólica y que se basa en detectar y analizar la distribución corporal de un radiofármaco.



Esquema de funcionamiento del TEP



 TEP de la enfermedad de Párkinson.                                 TEP de la enfermedad de Alzhéimer.

  También se investiga su uso en terapias contra el cáncer, ya que los antiprotones son cuatro veces más eficaces que los protones en la destrucción de células malignas.
  Además, se está investigando el diseño de microscopios de antimateria, que se supone serían mucho más sensibles que los de materia ordinaria.
  Por otro lado, su aplicación más productiva sería como combustible, pues la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera gran cantidad de energía: por ejemplo, la energía generada por kilo es unas 10.000 millones de veces mayor que la generada por reacciones químicas y 10.000 veces mayor que la energía nuclear de fisión. Solo serían necesarios 10 mg de antimateria para propulsar una nave a Marte; y con 0,5 g de materia y 0,5 g de antimateria se generarían unos 25 Gwatios-hora (una central nuclear en plena producción durante casi un día entero). Una gota proporcionaría energía eléctrica a Nueva York durante un día. En energía explosiva tendría la misma potencia que la bomba de Nagasaki (según “la pizarra de yuri” y “revista de las dominicas”). El mal uso de la antimateria es uno de los peligros que conlleva. Por el contrario, la antimateria no genera contaminación ni radiación y se produce espontáneamente y con cualquier cantidad de materia/antimateria.
   El estudio de la antimateria ha aportado inmensos conocimientos sobre el origen y evolución del universo, y contribuirá a nuevas formas de producir energía que ahora mismo sólo podemos soñar e incontables utilidades médicas y otras ciencias aplicadas.

Limitaciones:
-  No hay antimateria disponible ni una forma práctica de producirla a un coste rentable.
-  Actualmente solo se puede almacenar el 1% de los antiprotones generados.
-  Si usáramos toda la capacidad para producir antiprotones, el rendimiento de un año serviría para encender una bombilla de 100 W durante 3 segundos. Y si se usara toda la capacidad mundial de antimateria producible, la bombilla no luciría más de 6 min.

Vídeo resumen de todo el proceso de la antimateria.

Bibliografía:
http://lapizarradeyuri.blogspot.com/2010/06/antimateria.html