5.Las leyes sobre la medida de valores físicos en distintos sistemas de referencia :La relatividad (relatividad clásica y relatividad einsteniana especial y general). Física de los sistemas de referencias (el centro del Universo como sistema de referencia inercial absoluto).
-Física de los sistemas de referencia : Sistemas no inerciales , inerciales relativos y absolutos.
A la hora de establecer las medidas de magnitudes cinemáticas como la posición, la velocidad o la aceleración, necesitamos un marco de referencia. Concretamente , para posicionar un objeto, necesitamos otro objeto porque el movimiento es un fenómeno relativo concerniente siempre a dos objetos :El móvil en estudio y el sistema de referencia como referencia. La información medida en un sistema de referencia es distinto que en el otro, como es bien sabido, pero no independiente : Existen reglas de traducción de uno a otro denominadas “transformadas “. En el caso clásico de bajas velocidades tales “ transformadas” son bastante intuitivas: Los vectores posición, velocidad y aceleración se suman vectorialmente. Sean r ,v y a los vectores cinemáticos (posición, velocidad y aceleración) de un móvil respecto a una referencia O y r´v´y a´ ,respecto a otra referencia O´, pero las referencias O y O` se mueven relativamente a Ro ,Vo y Ao . Entonces, las medidas cinemáticas en uno y otro sistema de referencias se relacionan por r´= Ro +r V´= Vo + V y a´ = Ao + a . Para altas velocidades, las transformaciones son un tanto más complejas para introducir la velocidad límite ,única e insalvable de la luz. Obsérvese que en el caso de que los sistemas estén en reposo mutuo o en movimiento uniforme mutuo, ambos miden la misma aceleración sobre el móvil y ,en consecuencia, la misma fuerza total. Véase si Ao=0 , A = A´ y F=MA =MA´=F´ . “Se dice que ambos sistemas son mutuamente o relativamente inerciales, pues las fuerzas medidas son las mismas”.Contrariamente, si entre ambos sistemas de referencia existe una aceleración relativa, la fuerza medida en O es F=MA y en O´, F´=MA´ , relacionadas por A´= Ao + A es decir, MA´= MAo + MA , tenemos, F´= Fi + F . Las fuerzas F´ y F, medidas en ambos sistemas de referencia con aceleración mutua, se relacionan en la igualdad introduciendo una “fuerza de inercia” debido a la aceleración relativa (esta fuerza no se debe a ninguna interacción con cuerpos sino que es una fuerza derivada de un movimiento acelerado relativo). “Se dice que son sistemas de referencia mutuamente no inerciales o acelerados en los cuales habría que introducir las fuerzas interactivas o reales (derivadas de la interacción con otra partícula física ) y una complementaria de inercia o derivada de la aceleración de uno de los sistemas respecto del otro”. La pregunta ahora es la siguiente: ¿Existen sistemas de referencia inerciales absolutos donde no tengamos que tener en cuenta la aceleración de los mismos respecto a otros sistemas de referencia? Para estudiar el movimiento de una persona dentro de un autobús podemos tomar el propio autobús como sistema de referencia pero este está siendo acelerado continuamente (tangentemente o centrípetamente) de manera, que en el estudio de tal persona tendríamos en cuenta la normal de contacto con el suelo del autobús y su peso, además, de la fuerza Fi, derivada de la aceleración del autobús. Pero es que el autobús está acelerado respecto a la Tierra y la Tierra, respecto a su centro (giro) y la Tierra alrededor del Sol y el Sol alrededor de la Galaxia, etc, etc. ¿En qué sistema nos podemos anclar para garantizar que todas las fuerzas medidas desde el mismo son realmente fuerzas de interacción y no existen fuerzas de inercia derivados de la aceleración del propio sistema de referencia en búsqueda? .¿Donde podemos garantizar que en la ley de newton Ft= M a , la suma de las fuerzas se debe únicamente a fuerzas de interacción reales (gravitatorias y electromagnéticas) derivadas de la acción de fuentes interactivas de cuerpos reales y ¡no! de aceleraciones del sistema de referencia? . Por ejemplo, si estudiamos el hecho de que un cuerpo en la mesa se encuentre en reposo(¡cuidado! , en reposo respecto a la mesa o la superficie del suelo porque respecto al centro de la Tierra está dando vueltas!!), las fuerzas que debemos anotar son la fuerza peso hacia el centro del planeta, la fuerza normal de contacto perpendicular entre mesa y cuerpo….. y también debemos anotar una fuerza de inercia por encontrarse ese suelo en giro respecto al eje de la Tierra (para que siga manteniéndose en reposo añadiremos una fuerza de rozamiento estática compensatoria que es real). Este suelo ¡no! es inercial , pero ¿será inercial el centro de la Tierra y, entonces, respecto a este punto solo tendremos en cuenta las fuerzas reales del peso y la normal? ¡No! El centro de la Tierra también está acelerado al viajar en curva alrededor del centro del Sol…… y así sucesivamente. En un sistema de cuerpos en estudio ¿Cuál es el sistema de referencia inercial adecuado donde solamente podamos contabilizar fuerzas reales? La respuesta provisional es la siguiente: “el sistema de referencia inercial para un sistema de cuerpos aislados del resto del Universo es el centro de masas del mismo”. Si consideramos un conjunto de cuerpos (ejemplo, el sistema solar, Sol con todo lo que le rodea) el centro de masas de un sistema aislado cumple que Fuerza total externa = Masa total x aceleración del centro de masas (argumentos sencillos de un curso de física elemental). Si está aislado del exterior, Fexterna=0 , es decir, la aceleración del centro de masas es cero y su velocidad es constante, lo cual nos facilita un sistema de referencia inercial, sin fuerzas de inercia derivadas de la aceleración del sistema de referencia. Pero ahí viene la cruda realidad, pues todas las partes del Universo están conectadas, al menos gravitatoriamente, y por esto, ningún sistema de cuerpos está aislado absolutamente hablando. No obstante, ha sido un buen intento, al menos para sistemas muy alejados del resto (nuestro sistema solar está muy alejado del centro galáctico con una aceleración prácticamente cero ya que el Sol o ,mucho más exactamente, el centro de masas del sistema solar viaja muy en línea recta respecto a dicho centro galáctico y puede considerarse un buen sistema de referencia inercial). Podemos sentenciar lo siguiente: “El mejor sistema de referencia(inercial) de un conjunto de cuerpos es su propio centro de masas y mejor aún si el sistema de cuerpos está interactivamente lo más alejado y aislado del resto del Universo” . Pero seamos más ambiciosos y busquemos el sistema de referencia inercial absoluto .¿Qué sistema de cuerpos está aislado del resto del Universo, qué sistema de cuerpos no tiene nadie con quien interactuar fuera del mismo? La respuesta está servida :El propio Universo. Por definición, el Universo físico es todo cuanto físicamente existe y fuera de él no hay nada, entonces, no hay fuerzas interactivas desde fuera de él. Esto nos conduce a que el sistema de referencia inercial absoluto, desde el cual todas las fuerzas son derivadas de las interacciones es el “Centro de masas del Universo” . Pero , ¿Qué punto es este? La dificultad conceptual sobre este punto depende de la imagen o modelo que tengamos de nuestro Universo. Hubble demostró que toda la materia del Universo proviene de una explosión original y se fue expandiendo en todas direcciones del espacio. Respondámonos a la siguiente cuestión : En la explosión de una bomba que se divide en multitud de metralla, ¿Cuál es el centro de masas? Claro, el centro de la explosión . Pues ese es el centro de masas del Universo y sistema de referencia inercial absoluto y único punto privilegiado del Universo, desde donde no existen fuerzas fantasmas de inercia y donde la ley de newton Ft=M a , solo contempla fuerzas gravitatorias y electromagnéticas. Además, ese punto central del Universo jamás se ha movido de ahí porque como Fexteriores = Muniverso x Auniv …..y tales Fexteriores = 0 (no hay nada ahí fuera del mismo) , implica que Auniv=0 (además, la velocidad inicial del centro de masas del universo es cero).Nota: Auniv es la aceleración del Universo.
Concluyendo este apartado, el centro de masas o centro del Universo jamás se ha movido de ahí, es un centro eternamente estático y sistema de referencia inercial absoluto (aunque vacío, claro) ; toda la materia del Universo se está alejando ,provisionalmente, de él (la cáscara de materia expansiva se está alejando de ese centro y todas las galaxias de esa cáscara se van alejando mutuamente). ¡ El espacio no se expande sino algo más sencillo, las galaxias se alejan radialmente del centro del Universo donde explotó amén de separarse entre ellas! .Esta conclusión es derivada de la teoría del Big Bang puntual. Para la teoría del Big Bang con origen esférico, un hemiuniverso material se expande mientras que un hemiuniverso antimaterial se implosiona , estando la materia y antimateria explosionando e implosionando respectivamente , pero el centro del Universo se mantiene eternamente estático, aunque vacío. Por otra parte, para medir valores físicos como básicamente las posiciones, velocidades y aceleraciones, necesitamos tener dos puntos de referencia desde los cuales recibir señales luminosas (información física real) : El propio móvil en estudio y el sistema de referencia que posee un punto de referencia y los tres ejes en las tres direcciones de la dimensiones espaciales amén de un reloj para medir el tiempo (todo bajo intercomunicaciones con señales luminosas). Sin embargo, no podemos tomar un punto vacío como sistema de referencia (tampoco como móvil porque desde un punto vacío no parten fotones informadores y sí desde la propia materia que posee pares protón-electrón que envíe tales señales) sino que debe ser una partícula física que pueda encontrarse en reposo la cual se considere como sistema de referencia y medir todos los valores respecto al mismo. No se puede utilizar un bosòn como sistema de referencia porque no existe en reposo y ,además, todas las demás partículas del Universo tendrían velocidad lumínica a la vez, lo cual es una contradicción. Solamente pueden tomarse como sistemas de referencia partículas fermiónicas o materiales, sin masa cero (como los puntos vacíos o los propios bosones) y sin velocidad C (como los bosones).
-Experimento de Michelson y Morley, Experimento de Bertozzi, Experimento de las radiaciones EM y la constancia velocidad (fundamentos teóricos, ondas EM de Maxwell, unificación de la Mecánica y el Electromagnetismo) :La Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein (el límite “C” y las transformadas de Lorentz-Einstein).
En 1905, Albert Einstein publicó un importante artículo de Física fundamental titulado “Electrodinámica de los cuerpos en movimiento” que redactaba las bases de una nueva física. Exponía la Teoría especial de la relatividad que explicaba en modo único (unificaba) todos los fenómenos físicos (mecánicos y ópticos o electromagnéticos en general) medidos en cualquier sistema de referencia sin privilegios (no absoluto sino relativo) tanto en movimiento uniforme ( relatividad especial) como en movimientos acelerados con masas insertadas en el espacio (relatividad general). Explica lo que ocurre con las medidas del espacio (longitudes), tiempo (duración), simultaneidad, masa (inercial) y energía, desde velocidades bajas (fenómenos clásicos) a altísimas (mecánica y óptica relativista) cercanas a la luz. Einstein admite la constancia universal de la velocidad de la luz y límite máximo de la velocidad de las partículas materiales , a la vez que, única velocidad de todas las ondas radiantes o bosones (electromagnéticas) como la luz (este enunciado constituye su segundo postulado de la relatividad especial que obliga a una importante reformulación de toda la física fundamental ). Einstein admite que todas las leyes físicas (mecánicas que se suelen desarrollar a bajas velocidades respecto a la luz y leyes ópticas que se desarrollan a la máxima velocidad ) son iguales en todos los sistemas de referencia con movimiento uniforme relativo (este enunciado constituye el primer postulado de la relatividad especial), de forma que las leyes físicas son las mismas en tales sistemas de referencia aunque las medidas de los valores físicos no son los mismos sino relativos, existiendo unas reglas de transformación de unos valores a otros en distintos sistemas de referencia inerciales o de velocidad constante relativa. El fijar a la velocidad de las ondas electromagnéticas como el límite máximo de velocidad que permite la naturaleza (dados dos fermiones o partículas materiales, no es posible que las mismas se muevan relativamente a una velocidad igual o superior a la conocida C ; solamente las partículas radiativas viajan a esa velocidad respecto a las materiales y respecto al resto de las partículas radiativas) supone que si una partícula adquiriera una energía cinética con tendencia al infinito ,tal partícula simplemente acerca su velocidad a la de la luz mientras que su masa es la que va adquiriendo crecientes valores (es la masa relativista).Las ecuaciones de transformación que nos traducen las medidas de la posición, velocidad, aceleración, masa y energía de una partícula en un sistema de referencia a otro sistema de referencia se denominan “ecuaciones de transformación de Lorentz.” Estas ecuaciones, respeto al 2º principio relativista de la constancia absoluta de la velocidad límite de las partículas, suponen un cambio en las medidas de las longitudes y tiempos (amén de los demás valores vistos) : La medida de la longitud y el tiempo, básicamente, son relativas y sin embargo, una velocidad, la C, es absoluta. Esta fue la revolución einsteniana. A bajas velocidades (tanto de la partícula móvil en estudio como para las velocidades de los sistemas de referencias ) comparadas con la luz, las transformaciones de Lorentz se acercan a las transformaciones clásicas de Galileo más intuitivas y conocidas. También , a bajas velocidades la masa ,la longitud y el tiempo son valores absolutos, independientes del sistema de referencia y de la velocidad del mismo o del propio objeto. A velocidades cercanas a la luz, los tiempos, longitudes y masas medidos sobre el cuerpo en movimiento, o bien , estando en reposo sobre el sistema de referencia en movimiento, son relativos, sufriendo alteraciones en sus medidas. Las ecuaciones de transformadas relativistas siguientes nos miden la relación entre la masa, longitud, energía inercial y tiempo, medidos en un sistema de referencia considerado de reposo y en un sistema de referencia considerado en movimiento donde el cuerpo está en reposo; o bien, dichos valores del cuerpo en estudio estando en reposo respecto a un único sistema de referencia y tales valores del mismo cuerpo pero moviéndose respecto a este sistema de referencia a cierta velocidad (son dos puntos de vista equivalentes) : L=LoRaiz(1-V2/C2) T=To/Raiz(1-V2/C2) M=Mo/Raiz(1-V2/C2) Ei=Eo/Raiz(1-V2/C2) , donde Eo=M0C2 y Ei=MC2 . Otra consecuencia es la relatividad en la medida de la frecuencia, masa, energía y longitud de onda de los fotones (permaneciendo la velocidad “C” constante en todo sistema de referencia ), o efecto Doppler relativista f = fo(1-V/C)/Raiz(1-V2/C2). Los valores Lo , fo , To , Mo y Eo , son medidos en un sistema de referencia respecto al cual el cuerpo está en reposo (son los valores propios o de reposo, que son universales, son los parámetros que equivalen a los correspondientes clásicos o a V, , mucho menor que C). Los valores L , f ,T, M y E, son los valores relativistas dependientes del factor relativista 1/Raiz(1-V2/C2) donde V puede ser la velocidad del propio móvil respecto al único sistema de referencia , o bien, la velocidad del otro sistema de referencia en movimiento donde ahí sí estaría el cuerpo en reposo. Todo ello, fruto del modo en que la información de tales valores llega al observador: Si la velocidad de las señales de información fuese infinita, tales valores serían medidos de modo universalmente constantes y absolutos. Las transformadas de la velocidad del móvil es : V´= (V + Vo)/(1+V Vo/C2) , siendo V la velocidad respecto al sistema de referencia fijo , V´ la velocidad respecto al sistema de referencia móvil y Vo, la velocidad del sist. de referencia móvil respecto al fijo. Fíjese que la transformada de la velocidad límite la deja invariante, como corresponde al postulado de relatividad donde C es constante universal para todos los sistemas de referencia. Para V=C ,V`= (C+Vo)/ (1+C Vo/C2) = C . Otra consecuencia es que un bosón no puede ser sistema de referencia porque tendríamos que Vo=C ,entonces, V´ = ( V + C)/ (1+V C/C2) = C, para toda partícula en consideración , todas las partículas serían bosones. Más consecuencias de las formulaciones relativistas einsteinianas son que la energía inercial total (debido a la masa inercial interna y debido a la energía cinética en el espacio –tiempo) sería Ei = Eo + Ec , es decir, Ec=Ei –Eo o bien, Ec = (M – Mo)C2 . Combinando estos resultados con la expresión relativista de la masa, se concluye en la ecuación total de la energía inercial que es Ei = Raiz ( Mo2 C 4 + C2 p2) donde el parámetro “p” es la cantidad de movimiento relativista de la partícula de valor
p = M V = Mo/Raiz(1-V2/C2) V .La ecuación de Ei refleja la clasificación básica de las partículas físicas y su contenido energético. Para los fermiones, se tiene Mo=/ 0 , y si están en reposo (p=0) , su energía inercial solamente es energía inercial de reposo Ei = MoC2 . Pero si se trata de bosones, con Mo=0 , la energía inercial solamente es de movimiento (clásicamente denominada energía cinética), Ei = C p , es decir, Ei = C MC = MC2, es la expresión correcta para la energía inercial, toda cinética y nada interna o de reposo, de los bosones. Los distintos experimentos de física moderna corroboran todas las leyes relativistas expresadas en las líneas anteriores: El experimento de Bertozzi corrobora la relación relativista entre la energía cinética alcanzada por una partícula material y la velocidad que alcanza según, Ec= (M-M0)C2 = MoC2 ( 1/(Raiz (1-V2/C2) - 1) . Vemos que cuando V se acerca a C , la energía cinética crece hacia el infinito al igual que la masa. En el experimento de Michelson-Morley donde se intentó medir la velocidad de la Tierra con tan solo medir las diferencias de velocidad de un rayo de luz que partía en dos direcciones perpendiculares desde un laboratorio anclado en la propia Tierra, en base a que se creía que la luz se propagaba por una sustancia denominada “éter luminífero” , se obtuvo sorpresivamente que la luz tenía la misma velocidad en todas direcciones (aún componiéndose de distinta manera ya sea hacia delante en el movimiento de la Tierra o perpendicularmente a ella). Lo que en principio se creyó un fallo o una limitación en las medidas, se convirtió en un principio fundamental de la física : La velocidad de la luz es constante en cualquier circunstancia física (en todas las direcciones del espacio, en todo punto del espacio, en todo sistema de referencia, límite de velocidades para toda partícula material, esté la luz propagándose libremente o bajo campos gravitatorios o campos de aceleración, aunque estas dos últimas circunstancias son de consideración para la ampliación en la Teoría general de la relatividad). Los dos rayos perpendiculares que se lanzaron en el experimento anterior deberían haberse compuesto con la velocidad terrestre de distinta manera y obtener distintas velocidades de manera que ambos rayos al llegar al sensor receptor en distinto momento (desfasados) deberían haber construido una figura de interferencia. Contrariamente, se formó una figura puntual nítida suma de ambos rayos de llegada simultánea y , con ello, no influía la velocidad de la Tierra : No se podía medir esta velocidad y , además, la velocidad de la luz es la misma en toda dirección ; no se puede detectar el movimiento de un sistema de referencia inercial (en un momento, la Tierra viaja rectilínea y uniformemente) como tampoco se nota el movimiento de un avión desde un pasajero interno . Este es un experimento de carácter cinemático pero existe otro experimento ,el experimento de Bertozzi, de carácter energético que visualiza esta propiedad de la naturaleza sobre la constancia de la velocidad lumínica y límite de las velocidades . Este experimento se vio en un apartado anterior donde se lanzaban cargas eléctricas (ej. Electrones) por un acelerador de partículas y se media la velocidad de las mismas V=L/T y la energía cinética que poseían. La gráfica que se obtuvo deja bien claro que dichas partículas , por mucha energía que se le comunicara (grandísimas energías en los actuales aceleradores de EEUU y Europa) , su velocidad se acercaba asintóticamente a la velocidad de la luz. Este resultado es independiente de si el laboratorio desde donde se mide todo está en reposo o viaja a cualquier velocidad en el espacio. Además, como cada vez que se le da más energía a las partículas aceleradas menos incrementa su velocidad , este experimento nos muestra que la inercia de las partículas aumenta con dicha velocidad, es decir, la masa inerte que ya es relativa, aumenta con la velocidad como Einstein nos mostró M=Mo/Raiz(1-V2/C2) . Tenemos que la energía aplicada se está transformando en masa. Para todo sistema de referencia, hay una única velocidad límite universal C para partículas materiales. Otros experimentos con partículas radiativas (fotones ) de muy diversas energías ( fotones de infrarrojos, fotones de luz visible, fotones de rayos X , fotones de radiofrecuencia, etc) nos muestran un resultado sorprendente : Todas estas partículas tienen la misma velocidad para todo sistema de referencia aun conteniendo distinta masa-energía-longitud de onda-frecuencia. En distintos sistemas de referencia podemos medir distintas masas y energías tanto para las partículas materiales (fermiones) como para las radiativas (bosones fotones) siendo tales valores relativos. Pero en los fermiones, la masa intrínseca Mo es universal para todo sistema de referencia y relativa la velocidad V, mientras que en los bosones, la velocidad C es absoluta universal para todos los sistemas de referencia y la masa interna es nula Mo=0 .
Otro experimento que muestra la relatividad de los valores físicos es el experimento del tiempo de desintegración de los muones (electrones pesados) que vienen del espacio o es resultado de las colisiones de los rayos cósmicos con la alta atmósfera. Se puede medir el tiempo medio de desintegración de estas partículas (son inestables y se descomponen en neutrino más electrón estable) depende de su estado de movimiento. Estos muones en el laboratorio, estando en reposo, tardan un tiempo en desintegrarse de valor To (tiempo propio); pero en pleno movimiento, los muones que vienen del espacio a altísimas velocidades del orden de la velocidad de la luz tardan más en desintegrarse, visualizándose el efecto relativista en el tiempo. Otro experimento que nos muestra la naturaleza dual de la masa/energía en la luz (porque en la materia, clásicamente, toda masa posee energía y viceversa) es el experimento de la presión de radiación de la luz : Cuando lanzamos luz contra un objeto libre de obstáculos (colgante y con poca masa) el objeto se ve afectado como si le hubiésemos lanzado partículas materiales, mostrando que la luz, que es energía radiante en propagación, tiene también un aspecto inercial dinámico, tiene masa. La relación entre la masa que porta la luz y la energía es bien conocida: E/M=C2 .El fenómeno inverso que demuestra que la masa también es un aspecto de la energía (aunque energía muy concentrada en el punto físico de la partícula material) está en la aniquilación de partícula-antipartícula donde ambas partículas materiales se transforman íntegramente en fotones, o bien, en las reacciones nucleares (radiactividad, fisión y fusión ) y colisiones de partículas fundamentales , donde parte de la masa de los núcleos originales se invierte en generar una fantástica energía final (térmica para dar velocidad a los núcleos finales y radiante, generando fotones de altísima energía). En estos experimentos vemos que los entes tangibles de las partículas materiales (y la materia) y las partículas radiativas (y la radiación), tienen una doble propiedad dual que les da a la vez existencia y presencia : la masa y la energía. Además, son interconvertibles entre sí donde sus valores son proporcionales con se ve en la ecuación de la energía de Einstein, y dicha proporcionalidad universal es fruto también de la constancia universal de C. Otra interpretación de esa famosa ecuación es que, como en todo momento y en todo punto del espacio, allá donde haya una masa se tiene su energía correspondiente y, viceversa, ese cociente E/M=C2 , es una propiedad a priori del espacio que permite que “por cada kilogramo de masa que se tenga, tendremos paralelamente C2=9exp(16) julios de energía equivalente”. Es un “potencial energético inercial “ propio del escenario físico donde se desarrolla el Universo, el espacio-tiempo, que es uniforme en todo el espacio y constante en el tiempo.
-Principio de equivalencia de la masa inercial y gravitatoria (unificación de la inercia y la gravedad): La Teoria de la Relatividad General de Albert Einstein. Las observaciones de Arthur Eddintong , el efecto gravitatorio de Einstein y los agujeros negros.
La Teoría de la relatividad especial se limitaba a la física de las partículas dentro de sistemas de referencia inerciales sin aceleración. Aportaba las relaciones en las medidas entre dos sistemas de referencia en movimiento uniforme y rectilíneo mutuo (inerciales) donde la formulación de la nueva física introducía un límite natural a la velocidad, precisamente, la velocidad de las ondas electromagnéticas, unificando toda la física tanto de la materia como de la radiación, unificando la Mecánica con el Electromagnetismo (Óptica) . Ahora toca incluir a los sistemas de referencia que estén mutuamente acelerados (no inerciales ) e incluso al fenómeno gravitatorio. Se trataba de una ampliación natural de la teoría especial para obtener la Teoría de la relatividad general (sistemas de referencia acelerados y una nueva visión de la gravitación). Einstein se dio cuenta de que en la caída libre de los cuerpos (para visualizarlo mejor, cuerpos en el interior de un ascensor sin ver nada del exterior) vistos desde el exterior, todos caían a la vez paralelamente, con la misma aceleración y con aceleraciones relativas nulas. Se tiene que la fuerza gravitatoria o peso es P = M g , donde M es la masa gravitatoria del cuerpo en caída y “g=GMt/R2” el campo gravitatorio común a todos los cuerpos que caen. En caída libre, la única fuerza es esta “P” , así, Ft=Mi a , donde Mi es la masa inercial, dentro del 2º principio newtoniano, “a” la aceleración de caída. Igualamos : Ft = P =M g = =Mi a , es decir, experimentalmente observamos que la aceleración es la misma para todos los cuerpos que caen, así , M/Mi = cte universal para todos los cuerpos en plena caída. Todos los cuerpos podrán variar de masa, tanto en su versión inercial o en su versión gravitatoria, pero el cociente es universal (para un átomo que cae como para un elefante que cae). Esta proporcionalidad universal entre las masas de los entes físicos hizo concluir a Einstein que se trataba de las dos caras de la misma moneda, de la “masa física” a secas: Esta dualidad la postuló Einstein enunciando el “Principio de equivalencia entre la masa inercial y gravitatoria” teniendo su equivalencia cuantitativa M = Mi . A partir de aquí, en todas las ecuaciones físicas podemos simplificar ambas masas o, simplemente, solo es masa física que se manifiesta haciendo resistir al movimiento de la partícula cuando todo el resto del Universo le afecta mecánicamente y, simétricamente, se manifiesta atrayendo y siendo atraída gravitatoriamente por el resto del Universo. Simetría partícula-Universo, Universo-partícula (todos para uno y uno para todos). Aquel principio recibe el nombre de 2º postulado de la Teoría general de la relatividad con las siguientes consecuencias : Toda masa inercial (base de la existencia física) atrae a toda masa inercial porque a la vez es masa gravitatoria. La energía tiene su equivalente en masa (E/M=C2) , como ya se vio, por tanto, la energía es masa inercial y puede atraer a la materia y ser atraída por ella , en general, todo se atrae con todo . En base a esta conclusión, Einstein se atrevió a pronosticar que la luz proveniente de las estrellas , al acercarse a nuestro Sol, experimentaría una desviación como si fuese un meteorito. Efectivamente, el astrofísico Arthur Eddington, comprobó cualitativa y cuantitativamente las predicciones de Einstein, observando en un eclipse de sol (porque de otra manera no podríamos ver las estrellas de detrás del sol ) a dos estrellas que lejanas al Sol se distanciaban poco visualmente (poco ángulo de separación) y al estar cerca del mismo se distanciaban aparentemente más, porque sus rayos se habían desviado gracias al campo gravitatorio de nuestra estrella : La luz era sensible a la gravedad. Este efecto se denomina “efecto de lente gravitatoria de Einstein”, porque si a simple vista las estrellas se veían levemente distanciadas con el Sol por delante, sus rayos curvados provocaban que los dos puntitos de esas estrellas aparentaban venir de más lejos (es como ampliar o aumentar la imagen de algo, como una lente).Si Einstein ya era famoso en el ámbito estrictamente científico, ahora lo era en el ámbito popular. Otro efecto de la gravedad sobre la luz no es solamente el desviar su trayectoria sino el de cambiar su energía cinética (cambiando su masa equivalente de movimiento , su frecuencia y su longitud de onda) : Es el corrimiento al rojo gravitatorio einsteniano de la luz ( o inversamente el corrimiento al violeta, pero este efecto no podemos observarlo). Cuando un rayo de luz o, en su versión cuántica, un fotón de luz se mueve libremente sin campos gravitatorios (o poco intensos) y sus medidas se realizan desde un sistema de referencia inercial no acelerado, el fotón sigue una trayectoria rectilínea manteniendo su energía constante. Pero si se encuentra en campos gravitatorios relativamente intensos, la trayectoria del fotón adquiere una forma curvilínea debido a la atracción gravitatoria de la masa fuente hacia el fotón (que posee masa, no interna o de reposo, pero sí masa de movimiento relativista) con masa susceptible de ser atraída. Este efecto es relaataivo al cambio en la dirección de la velocidad y no en el módulo de su velocidad que es constante. En el caso de los fotones de luz, las trayectorias no son muy cerradas sino bastante abiertas (leves curvaturas),debido a que la velocidad de la luz es inmensamente más alta que cualquier velocidad de cualquier objeto material. La energía cinética de un fotón es Ec= MC2 – MoC2= MC2 (porque Mo=0) y en interacción gravitatoria con una estrella , la energía potencial gravitatoria es Eg = -GMe M/R donde Me, masa estrella atractiva . En el movimiento de un fotón se cumple la conservación de la energía : Emo = Emf , cuando el fotón se encuentra en una primera posición R con masa M y se mueve a otra posición R´ con masa M´ . En los fotones, las energías cinéticas se transforman en potenciales gravitatorias y viceversa, pero “la velocidad C de los fotones es constante en todas las circunstancias”, por lo que para que varíe la energía cinética debe variar la masa del fotón (se dice que la e. cinética se transformará en potencial, a la vez que la energía en forma de masa ,energía inercial de movimiento o e. cinética, se transforma en e. potencial). Igualamos e. mecánicas : MC2 –GMeM/R = M´C2 –GMeM´/R´ .Para el fotón, esta ecuación la transformamos en función de la frecuencia del mismo M=E/C2 = = h f/C2 ,resulta, separando frecuencia final de inicial, f´ = f (C2-GMe/R)/(C2-GMe/R´) . Fijémonos en un fotón que parte de la estrella atractora a R. Cuando se aleja a R` final más lejos, la frecuencia final “f´” es menor que la frecuencia inicial “f” . Es el efecto de corrimiento al rojo de Einstein, para un fotón que sale de una estrella o de sus inmediaciones. Estos fotones salen de todas las estrellas del Universo y al llegar a la Tierra donde R´ es muy grande, se simplifica, f´=f (1 – GMe/C2 R) , con esta frecuencia se escapan los fotones de una estrella hacia todas partes y en particular hacia el infinito espacio exterior del Universo ,sin perder identidad, solamente algo de energía o masa ) cuando parte con frecuencia “f” desde un punto alejado “R” de su centro. El efecto contrario, es decir, un fotón que está alejado de la estrella y se acerca a ella, no podemos verlo (quizás, un fotón que parte lejos del sol y cae a la Tierra más cerca del Sol), cuando veríamos el efecto contrario, f´ mayor que f, corrimiento al violeta. Cuando el campo gravitatorio de la estrella es muy intenso debido a g=GMe/R2 , gran masa Me concentrada en poco espacio R , puede ocurrir un curioso fenómeno : La autoabsorción de la luz. Desde cualquier astro un cuerpo material puede ser lanzado a una determinada velocidad mínima denominada “velocidad de escape” para que se aleje indefinidamente (para que “tan solamente llegue, Vf=0” , al infinito R=infinito )que clásicamente se calcula igualando la energía total inicial a la final Em = Ec + Ep = Ec´+ Ep´= Emf =0 ya que Ec´=0 ,llega y para y Ep=0 ,en el infinito vale cero. Se cumple, Ec = -Ep . En términos clásicos, 1/2MV2= -(-GMeM/R) , es decir, V= Raiz (2GMe/R) .Esta es la velocidad para que una partícula material escape del campo gravitatorio de un astro, pero para velocidades no altas o velocidades clásicas. En términos más exactos o relativistas para cualquier valor de la velocidad, esta velocidad se verá en un punto posterior en Astrofísica en el apartado sobre los agujeros negros. Si aplicamos lo anterior para un fotón, debemos tener en cuenta que tal fotón “no cambia de velocidad en módulo pero sí en dirección”, siempre se mueve alejándose del astro estelar a la misma velocidad C. Pero a medida que sube adquiriendo más energía potencial gravitatoria, disminuye su energía cinética en el término de la masa (y la frecuencia).La energía inercial representada en la masa inercial disminuye transformándose en energía potencial gravitatoria huyendo de la estrella pero no se extingue porque , como hemos visto, en el infinito el fotón sobrevive con una frecuencia final f´= f(1-GMe/C2R) , de valor bastante más reducido que el inicial f. En la expresión de la frecuencia del efecto Einstein en la página anterior, vemos que hay una distancia inicial R, que anula al fotón ,y este nunca saldría a ninguna parte R´ final (y para todos los tipos de fotones f). Paréntesis =0 , 1-GMe/C2R= 0 , hace f´= 0 , lo extingue o ,por lo menos ,no sale de ahí hacia el exterior. Esa distancia especial es el denominado “Radio de Schwarzschild”, cuya superficie se denomina en la astrofísica de los “agujeros negros”, la superficie frontera de sucesos R*=GMe/C2 . Para cada estrella, hay un radio a partir del cual no salen los fotones y no registraríamos luz que provenga de la misma. Los fotones situados en esa distancia R* que no logran salir, ¿cómo se comportan)? . Otra interpretación para que un fotón no pueda salir desde un cierto lugar R*= GMe/C2 , es que se encuentre en órbita alrededor de la estrella. Los fotones son las partículas más veloces de la naturaleza y para curvarlos es necesario un campo gravitatorio excelentemente intenso. Supongamos que los fotones (de masa m) de la esfera de Schwarzschild se encuentren atrapados dinámicamente, es decir, en órbitas circulares a la velocidad C : Tenemos que Fg=GMem/R*2 = =m C2/R* , resultando de nuevo la conocida condición R*=GMe/C2 , deduciéndose que los fotones en la esfera de Sch. se dedican a circular en órbitas formando una “esfera electromagnética” (algunos lo llaman la esfera de fuego alrededor de un agujero negro). Un agujero negro no es más que una estrella que ha colapsado (las fuerzas gravitatorias e inerciales han superado a las fuerzas expansivas térmicas de su propio plasma comprimiendo la parte central de la estrella por implosión y esta ha alcanzado altísimas densidades ,mucha masa en poco espacio) hasta el extremo de adquirir un campo gravitatoria tan intenso que atrae a la propia luz autoabsorbiéndola. La estrella colapsada ha adquirido la siguiente estructura (se verá en un próximo capítulo sobre agujeros negros o estrellas negras): Un núcleo de neutrones de altísima densidad , otra región vacía, una superficie frontera de radiación (esfera o superficie de Schwarzschild) y el espacio exterior a su alrededor. Todo astro tiene su propio radio R* desde el cual no se permite la emisión de luz o cualquier onda EM; tal astro sería una “estrella negra” o “astro negro” ,que se ve desde el exterior con la apariencia de un agujero negro, si ese radio R* fuese superior a su radio material (al de su propio núcleo) . En este caso, la superficie de Schwarzschild o frontera de sucesos absorbería luz y no dejaría emitirla, no pudiendo visualizarse al propio astro negro que se aloja en su interior. Si esta R* es menor que el radio del astro, como ocurre en la mayoría de las estrellas normales o brillantes, la superficie del astro externa a R* permitiría emitir ondas EM aunque mermadas en energía-frecuencia, como se vió antes según el efecto Einstein gravitatorio. Otros efectos derivados de la relatividad general son las alteraciones gravitatorias del tiempo y del espacio. En los lugares donde el campo gravitatorio es más intenso, se miden longitudes menores y tiempos más dilatados. Un efecto astronómico de estas mediciones relativistas se encuentra en la rotación del eje de la trayectoria elíptica de Mercurio, explicado por Einstein. Cuando Mercurio se acerca al Sol, en los puntos de su trayectoria próximos al sol (perihelio) se alteran las medidas espacio-temporales debido a la relativa mayor intensidad del campo gravitatorio respecto a la otra zona alejada del afelio, provocando que dicha trayectoria no sea exactamente una elipse sino una elipse cuyo eje principal rota. Este efecto es perceptible en el astro más cercano al Sol que es Mercurio pero en los demás es bastante imperceptible. La gravedad es concebida por Einstein ,no como una interacción basada en el esquema clásico de partículas con propiedades física que poseen una infinita región espacial externa donde despliega su potencial influencia sobre otras partículas haciéndose real tal influencia por las fuerzas de interacción, sino que las masas provocan en el espacio un “relieve” que hace conducir a las masas móviles como una canica conduce su movimiento por el relieve de altibajos o pendientes del suelo. En este símil, la canica se mueve por el relieve del suelo debido a las fuerzas electromagnéticas microscópicas que se suman en la fuerza normal de contacto. La canica tiene un escenario físico por donde circulará configurado por cuestas más o menos inclinadas e incluso zonas planas, determinando su movimiento .En la interpretación de Einstein de la gravedad, las masas distribuidas por el espacio deforman a este con un relieve resultado de la superposición de los campos de todas las masas ; dicho relieve , más que ser una sucesión de inclinaciones más o menos pronunciadas como en el suelo de la canica, es una sucesión de valores de aceleraciones ( o de campos gravitatorios equivalentes, g=a) de forma que en un punto de ese espacio deformado donde se ha adquirido un relieve gravitatorio, la inclinación equivale aquí a dicha aceleración. Si un punto tiene una gran aceleración (cuesta inclinada en el símil de la canica y el suelo), significa que cualquier partícula dotada de masa que pase por ahí va a adquirir dicha alta aceleración, independientemente del valor de la masa de la partícula móvil ; según esto ,es como si existiese un suelo-relieve común a todas las partículas) y el espacio sería “muy curvo”. Pero si en el punto por donde pase la partícula no hay aceleración, se movería con movimiento uniforme (equilibrio de campos o lugar muy alejado de las masas fuentes o simplemente no hay masas fuentes)y el espacio sería “muy plano” (como el suelo horizontal ,sin inclinación, en la canica).
La Teoría de la relatividad general tiene un primer postulado que se enuncia : Todas las leyes de la física (mecánicas o electromagnéticas, de bajas o altas velocidades , con presencia o no de masas) son las mismas en todos los sistemas de referencia (incluso en los sistemas no inerciales o acelerados tangencial o centrípetamente). La Teoría especial de la relatividad no es más que un caso especial simple para fenómenos físicos en sistemas de referencia inerciales o en ausencia de masas. Cuando se trabaja con sistemas de referencia acelerados, no hay más que añadir a los campos gravitatorios , g , las aceleraciones de inercia , -a . Se puede decir, que aunque tengamos un sistema de referencia acelerado, podemos considerarlo inercial, pero teniendo en cuenta el conjunto del campo gravito-inercial, Cgi = g – a , que es como un campo gravitatorio efectivo. Visualicémoslo con el descenso de un ascensor en caída libre y observemos los cuerpos interiores. Si tomamos como referencia el suelo del edificio, tenemos que la gravedad existente en el lugar es la debido a la masa terrestre, es decir, g=GM/R2 . Al caer, esta es la única fuerza, por lo tanto, se cumple que F=P=Mg =Ma cumpliéndose que a=g=GM/R2 . Pero, para esos mismos cuerpos dentro del ascensor, sigue existiendo el campo gravitatorio porque la Tierra sigue estado presente, por lo que la fuerza actuante es P=Mg . Sin embargo, si las medidas de posición o velocidad o aceleración las tomamos respecto al propio ascensor que está siendo acelerado hacia abajo “g” , el campo efectivo es Cgi = g- a , siendo a=g ,por tanto, Cgi =g-g =0 ,la aceleración de los cuerpos respecto al ascensor es cero, un campo gravitatorio efectivo de cero, consecuentemente, los cuerpos respecto al ascensor están en reposo o se mueven uniformemente, están “levitando”, en estado relativo de “ingravidez” , sin tocarse espontáneamente .Ejemplo,un cuerpo sobre una mano, N-P=Ma , pero a=g ,así N-Mg=Ma ; N-Mg =Mg así pues N=0 , todos levitan respecto a todos. No solamente hay que tener en cuenta la presencia de masas reales o fuentes de gravedad sino aceleraciones relativas de sistemas de referencia acelerados. Einstein construyó una ecuación denominada “Ecuación de Universo”, donde se expresaba en un lenguaje riguroso (ni escalar, ni vectorial, sino tensorial) la relación entre la presencia de masas-energías fuentes en el espacio (y sistemas acelerados) que configuraban el relieve (de aceleraciones )de dicho espacio (las masas, las energías y los sist. referencia dicen a las masas-energías por donde deben moverse ,establecen un relieve espacial) para conducir a las masas móviles (las masas móviles responden con un movimiento según el relieve del espacio). Este relieve gravitatorio de aceleraciones no solamente afecta a las partículas materiales sino también a las partículas radiativas o bosones (fotones). Un rayo de luz en un campo gravitatorio o espacio configurado en relieve gravitatorio se moverá curvando su trayectoria y variando su frecuencia ; respecto a sistemas de referencia acelerados, también experimentará curvaturas y cambios en su frecuencia, como si el sistema de referencia acelerado aportara un campo gravitatorio ficticio o inercial de valor “ g =-a” (sea constante en caso tangencial o radial hacia el exterior, en caso centrípeto) , al campo gravitatorio existente en el lugar debido a masas reales. Cgi = g – a . En cada punto del relieve , todas las masas generan una aceleración “g” y el sist. referencia elegido, su propia aceleración invertida de signo, “-a” . Si el campo gravito-inercial, o aceleración efectiva total fuese cero, tendremos relieve total plano, las partículas se moverían en movimiento uniforme o se mantendrían en reposo (si no actuaran las otras clases de fuerzas físicas, las electromagnéticas) y se dice que levitan o están en estado de ingravidez. La dinámica relativista se basa en la ley de Newton adaptada en base a la definición de fuerza por la derivada de a cantidad de movimiento que es F=dp/dt , siendo la cantidad de movimiento relativista, p= MoV /Raiz(1-V2/C2) , para una fuerza constante, partiendo del reposo por el teorema del impulso : I=F t = pf –po , se tiene que F t = MoV/Raiz(1-V2/C2) , y la expresión de la velocidad es : V= (F/Mo) t/Raiz(1+(F t/MoC)2) veamos la evolución de la aceleración (derivamos la velocidad), a=(F/Mo)/(Raiz(1+(F t/MoC)2)))3 de donde podemos deducir los siguientes extremos: Inicialmente, partiendo del reposo, aún no se ha logrado grandes velocidades, se asemeja a la condición clásica, es decir, para t=0, a=F/Mo Luego, si transcurre mucho tiempo (límite de tiempo infinito ), o bien, la fuerza es muy intensa (tiende a infinito) o el cuerpo es tan pequeño, partículas (masa tiende a cero), tales límites hacen que la aceleración se acerque a cero. A grandes velocidades, la aceleración se va estancando asintóticamente a cero a la vez que la velocidad se va alineando a C. Esto ocurre para fermiones de masa no nula. Para bosones de masa nula (tendemos a cero la Mo ), la aceleración no deja de sorprendemos pues es 0 (los bosones de masa nula no pueden viajar más que a V=C=cte). Si calculamos las componentes intrínsecas de la fuerza tenemos : Fuerza tangencial relativista, Ft= Mo at/((Raiz(1-V2/C2))3 y la fuerza normal o centrípeta Fn= Mo/Raiz(1-V2/C2) V2/R =MV2/R . Los fermiones sometidos a estas fuerzas varían sus velocidades y consecuentemente sus masas relativistas. El vector fuerza total no es paralelo al vector aceleración total, como se ve en la falta de proporcionalidad de sus componentes intrínsecas. Para fotones, las fuerzas tangenciales pueden variar la masa/ /frecuencia/energía , pero en la fuerza normal o centrípeta un fotón queda atrapado gravitatoriamente (y nunca electromagnéticamente por ser neutro) con una fuerza Fn=MC2/R de manera que Fg=Fn , GM M`/R2 = MC2/R , quedando, R*= GM´/C2 , radio de órbita de un fotón o de la luz en general alrededor de una masa M´ muy grande y concentrada como es un agujero negro. Tal radio se denomina Radio de Schwarzschild, como ya se verá más adelante y se vio anteriormente. Dado un astro atractor central, este es el único radio de órbita de la luz alrededor del centro formando una superficie de radiación EM de fuego. El fotón en esta situación, Ftang=0 , no varía su masa-energía ni su frecuencia, estando estacionario. Contrariamente, las partículas materiales, R= GM´/V2 , como sus velocidades “V” no pueden superar a la luz C, sus radios de orbita (en su caso) , son mayores que ese radio especial R* , por lo que en el interior de esa superficie no encontramos materia en órbita sino fuera de ese radio (salvo el propio núcleo compacto donde intervienen fuerzas de enlace nuclear intensas, núcleo de agujeros negros). Desde el punto de vista energético la energía inercial (inercia de reposo o materia pura e inercia de movimiento o energía cinética) total es : Ei = Raiz (Mo2 C4 + C2 P2) , o bien, Ei = Mo C2/Raiz(1-V2/C2) = M C2 donde M es la masa relativista. O bien, Ei = Eo + Ec , donde Eo es la energía inercial de reposo (propia, interna, debido a la masa o energía concentrada en los puntos físicos) y Ec es la energía cinética de la partícula en el espacio tiempo, externa, relativa. De la expresión primera para fermiones, dicha expresión tiene las dos partes completas pero si están en reposo, quedaría Ei=MoC2 , y para bosones sin masa interna, quedaría Ei = CP, sería energía cinética pura, denominada “de radiación”, energía que se transmite de un lugar a otro a V=C.
6.Leyes cuánticas de los entes tangibles del Universo en su aspecto corpuscular y en su aspecto ondulatorio (dualidad): Principio de dualidad de De Broglie y principios de indeterminación de Heisenberg.
Los entes tangibles físicos están constituidos por dos clases de partículas que manifiestan su existencia poseyendo masa y energía , dualidad que cuantitativamente se relacionan por E=MC2. La primera clase de partícula (bosones)deposita todo su contenido de energía/masa en el espacio tiempo, es decir, energía cinética pura, pues solo tiene masa de movimiento (energía inercial de movimiento o energía cinética y por tanto, de valor relativo) a la única velocidad universal , absoluta y límite “C” , y por el contrario, no posee energía/masa de reposo (no forman estructuras espaciales con enlaces, ni en reposo ni a velocidades variables, no forman a la materia ni a la antimateria). La segunda clase de partículas físicas (fermiones) posee una base másica-energética en el propio punto físico que ocupa en el espacio cuyo valor es universal, para todos los sistemas de referencia, cantidad que se mide estando en reposo (masa y energía inercial de reposo) ; estas partículas pueden moverse en el espacio-tiempo en un intervalo de velocidades entre V=0 y V menor que C , adquiriendo una energía extra en el espacio-tiempo, debido al movimiento denominada “energía cinética”. Por tanto, tales partículas poseen una energía inercial total Ei = Eo + Ec .Las dos clases de partículas son intertransformables, de manera que un bosón se materializa en fermiones y dos fermiones simétricos (partícula/antipartícula) se aniquilan en bosones. Hasta aquí tenemos la dualidad o complementariedad fermión-bosón en cuanto al aspecto tangible y la dualidad masa-energía en cuanto a la propiedad que otorga existencia y a la propiedad que otorga presencia (como también la masa inercial y la masa gravitatoria son dos aspectos complementarios de la propia masa, relacionados con la interacción ). También, en las mismas propiedades fundamentales de las partículas físicas, es decir, la carga y la masa, existe cierta complementariedad : La masa en las partículas físicas posee un solo signo y tres valores cuánticos estables mientras que la carga posee tres signos y un solo valor cuántico . En un Universo de simetrías también las partículas se mueven en una “dualidad onda-corpúsculo” tanto para las partículas materiales o fermiones como las partículas de radiación o bosones, como sugirió De Broglie. Pero, ¿qué se entiende por corpúsculo y qué se entiende por onda, tanto desde el punto de vistas conceptual como experiencial (según lo que se observa)? Se entiende por corpúsculo a una partícula fundamental que ocupa un punto físico o a una partícula compuesta (neutrón, núcleo, átomo o molécula) o a una partícula macroscópica que ocupa un volumen determinado o a cualquier porción o cuerpo que integra el Universo y que se mueve en el espacio-tiempo interaccionando con los demás corpúsculos. Fundamentalmente, todo el Universo es un conjunto de corpúsculos y ,por ello, la naturaleza corpuscular de todo el Universo y cada una de sus partes es inherente. Por otra parte, el concepto original de onda parte de la onda mecánica donde un medio material constituido por una malla de partículas más o menos enlazada es estimulada energéticamente aplicándosele energía a una primera partícula denominada foco y tal energía la comunica a las vecinas y estas a las suyas de modo que se propaga la energía aplicada por todo el medio material (este mecanismo microscópico de propagación lo recoge el “Principio de construcción de Huygens”).Esta manera de transmitir energía (punto a vecindad por contacto o enlaces) se denomina “transmisión de energía mecánica por ondas” donde la partícula que recibe la energía (foco primario o secundarios) la utiliza para vibrar periódicamente transformando energías cinéticas en potenciales y pasar parte de su energía mecánica a las vecinas que oscilará de la misma manera aunque con menor energía (esta disminución se debe a que la partícula primera “ha repartido energía” entre otras que toman ese testigo energético, produciéndose atenuación energética). Se puede demostrar fácilmente que la energía original del foco, al repartirse tridimensionalmente por una superficie esférica hace que la energía recibida por las partículas más lejanas sea “inversamente proporcional” al cuadrado de la distancia E=K/R2 .Estas partículas lejanas vibrar exactamente igual (mismo periodo y frecuencia) que la original salvo que su amplitud decrece. Esta forma de transmisión energética , partícula a círculo de partículas vecinas según Huygens, posee una serie de curiosas propiedades denominadas “ fenómenos ondulatorios” (con sus leyes de propagación) que se identifican fácilmente con la experiencia : La reflexión, la refracción, la dispersión, la difracción, la interferencia, el efecto Doppler , la polarización y la atenuación (por dispersión energética o por absorción energética).Mientras se propaga la onda desde el foco al resto del medio a cierta “velocidad de propagación”, las partículas oscilan periódicamente (periodo y frecuencia) mientras que espacialmente oscilan paralela y regularmente (periodicidad espacial o longitud de onda). Desde el punto de vista experiencial, las partículas se registran u observan como puntitos grabados en placas sensibles, en la retina humana o en los mismos cuerpos que se dejan observar: Es la medida u observación corpuscular (imágenes nítidamente puntuales tanto para partículas materiales como para partículas de energía). Para las ondas, la experiencia más visual que tenemos es la difracción de olas de un estanque o del sonido o bien de haces de electrones o haces de partículas muy pequeñas (a través del diagrama de interferencia y de difracción que obtenemos medimos longitudes de ondas y frecuencias de la onda) amén de los restantes fenómenos anteriormente anotados donde siempre se tienen partículas que vibran variando sus posiciones (entre un máximo o amplitud), comunicando energía de diverso tipo en todas las direcciones del espacio : En los límites de dos medios materiales se da la reflexión , la refracción y la dispersión ; en obstáculos y aberturas, la difracción ; en la intersección de varias ondas, la interferencia ; en el modo de vibración, las ondas longitudinales, transversales y la polarización ; en focos móviles , el efecto Doppler ; en la lejanía de focos, la atenuación en la amplitud y energía por partícula receptora ; a lo largo del medio, la atenuación por absorción de la energía de la onda transformándose en calor . El aspecto corpuscular de todas las partículas físicas explican perfectamente todos estos fenómenos propios , en principio, de la transmisión de energía por ondas mecánicas. Vamos a analizar el comportamiento de las partículas físicas desde partículas con poca masa (como las partículas fundamentales tanto materiales como radiativas) a partículas con mucho más masa ; también, desde partículas individuales a grandes haces de partículas. El experimento que nos va a ayudar a determinar el “aspecto o comportamiento corpuscular u ondulatorio” de tales sistemas va a ser el famoso “Experimento de la doble rendija”. Este consiste en que una partícula o un grupo de ellas se lanza desde un foco origen hacia una primera lámina con dos rendijas próximas por donde se cuelan tales partículas para incidir por detrás en una pantalla donde se registran o graban o inciden finalmente dichas partículas, observándose una “distribución de impactos” :Puede ser una distribución de puntos concretos ( comportamiento corpuscular), o bien, un diagrama de interferencia (imagen de bandas claroscuras, comportamiento ondulatorio). Si probamos este montaje con el lanzamiento de partículas bien reconocidas como tales como canicas o balas, tanto lanzándolas individualmente como en grupo o de golpe, dibujaría un diagrama de impactos nítido , dibujando de forma exacta el par de rendijas sobre la pantalla posterior (se dice que se ha registrado un fenómeno corpuscular o, por lo menos, de imagen corpuscular).Si probamos con ondas luminosas (podríamos probar con sonidos u olas en agua, pero estas ondas son difíciles de registrar en una pantalla) presuponiendo a la luz como ondas , estas parten del foco, se difracta en las dos rendijas, luego ambas rendijas actúan como focos secundarios que interfieren en la pantalla, dibujando una distribución de zonas de mayor luminosidad alternadas con otras de mayor oscuridad , diagrama de impactos muy distinta a las de las canicas (se dice que se ha registrado un fenómeno ondulatorio o, por lo menos, de imagen ondulatoria). El juicio sobre lo corpuscular o lo ondulatorio nos lo da esta “foto o diagrama de impactos” que , como veremos, puede tener como origen a partículas en diversas “condiciones de experimentación” (dualidad onda-corpúsculo , según el experimento que hagamos con las partículas). En primer lugar, lancemos desde el foco partículas solitarias con mucha masa( grandes moléculas, granos de arroz o balas), parte se retiene en la primera lámina y otra parte se cuela por las rendijas sin afectarse apenas por los círculos (los círculos de los agujeros o rendijas están formados por las capas electrónicas de los átomos de esa rendija ) debido a su neutralidad eléctrica y por su elevada masa inercial, moviéndose en trayectorias prácticamente rectas dibujando impactos en la pantalla para configurar la figura exacta de tales rendijas : Se trata de un registro o comportamiento “corpuscular”.Si repetimos el experimento lanzando las partículas prácticamente a la vez, el resultado sigue siendo el mismo. Vamos a disminuir la masa de las partículas de prueba hasta el límite de los fotones desde fotones con menor energía (menor frecuencia y mayor longitud de onda)a mayor energía. Lanzamos fotones individuales , algunos impactan con la primera lámina pero otros se cuelan por las rendijas : Los que pasan por el centro apenas se alteran dibujando su impacto en la pantalla pero otros interaccionan con los átomos y sus capas electrónicas de tales rendijas absorbiéndose y emitiéndose (lo propio de los fotones con los átomos), convirtiéndose los aros de dichas rendijas en focos secundarios , que envían al fotón (indeterminadamente, no conocemos con qué orientación impacta absorbiéndose ni con qué orientación sale del impacto emitiéndose) dirigiéndolo a un punto concreto de la pantalla registradora y registrando un punto nítido. Si pudiésemos controlar un solo fotón (experiencialmente es prácticamente imposible), nos daríamos cuenta de su carácter corpuscular. Colectivamente (una ráfaga de luz), o bien, fotón tras fotón , individualmente, lograríamos dibujar un diagrama de interferencia correspondiente a una onda, porque, cada fotón individual que tiene comportamiento corpuscular, al impactar con los bordes de los orificios de las rendijas, daría toda una distribución de puntos sobre la pantalla, dando como resultado colectivo un “sello ondulatorio”. Tenemos con esto que lo que parecía una onda clásica (la luz) no era más que un haz de partículas muy poco másicas que se deja desviar o absorber/emitir fácilmente, haciendo construir “focos secundarios” al igual que el fundamento de las ondas según Huygens. Aumentemos drásticamente la masa lanzando electrones desde el foco. Estos son retenidos en parte por la primera placa pero otros se cuelan por las rendijas. Los electrones que pasan por el centro de las rendijas casi no son afectados (aunque esto depende del tamaño de dichas rendijas pues si son muy pequeñas, del orden de la asignada longitud de onda de los mismos, sí podrían ser afectados)pero los demás son repelidos ferozmente por las capas electrónicas de los átomos del borde de tales rendijas, funcionando en este caso como focos secundarios de lanzamiento de electrones en todas las direcciones hacia la pantalla registradora posterior (de forma indeterminada, pues no sabemos direcciones de impacto así como direcciones de salida, dada la indeterminación microscópica de estas partículas tan pequeñas).Tales desviaciones no son tan bruscas como con los fotones pero mucho más bruscas que las moléculas o las canicas, naturalmente. Los electrones, lanzados individualmente , se dirigen a la pantalla y graban su impacto. Individualmente obtienen puntitos, propios del carácter corpuscular del electrón pero poco a poco, puntito a puntito, van construyendo un diagrama de interferencia propio de una onda, con zonas más intensas (mayor nº impactos) y zonas menos intensos (menos nº impactos individuales).Si lanzamos ráfagas de electrones , el resultado es el mismo solo que la grabación es prácticamente simultánea en la pantalla. ¿Porqué los electrones colectivamente (sea uno a uno o del tirón, en ráfaga) nos muestra un diagrama como en las ondas? Porque en su impacto con el borde de las rendijas , que se ha convertido en focos puntuales de emisión electrónica ,nos lanza aleatoriamente electrones repelidos en todas direcciones con distintos valores cinemáticos (velocidades -direcciones), y en grandes cantidades de partículas (sea una ráfaga muy poblada, o pacientemente, una fila muy larga de electrones individuales) nos muestra esta distribución sobre la pantalla. Para ráfagas de no muchos electrones, las figuras serían distintas (como lanzar grupos de 50 dados, los resultados serían distintos) pero para trillones de electrones (como lanzar 1000 dados, los resultados serían más semejantes) la figura siempre es la misma (para la misma velocidad-masa o cantidad de movimiento de las partículas del haz). En este sentido, una ráfaga de partículas microscópicas como los electrones, al impactar por este experimento sobre una pantalla nos muestra un “sello o imagen ondulatoria”: De tal imagen, separación de franjas, podemos deducir una “longitud de onda asociada”, por similitud a las ondas. Vemos la dualidad onda-corpúsculo tanto de la materia (electrones, protones, asteroides, etc) como de la radiación (sea fotones de poca energía o de más energía).A partir de las ecuaciones cuántica de Planck E = hf , ondulatoria C=Lf y relativista de Einstein E=MC2 , donde “f y L” son la frecuencia y longitud de onda de la luz (en su aspecto ondulatorio) y “M y E”, masa /energía asociada al fotón, aspecto corpuscular, De Broglie dedujo la ecuación L=h/(MC) , interpretando p=MC, la cantidad de movimiento de la partícula fotón. Es decir, L=h/p , simétricamente, si a una onda como la luz se le asigna una longitud de onda L y un fotón o cuanto de energía corpuscular de cantidad de movimiento p=MC , ¿podría una partícula material de cantidad de movimiento p=MV , comportarse grupalmente como una onda (como se ha visto en el experimento de la doble rendija) de longitud de onda L=h/(MV) , precisamente? Esta hipótesis se denomina “hipótesis de De Broglie “ de la dualidad onda-corpúsculo para la materia y la radiación. No obstante, esta visión ondulatoria de los haces de partículas interaccionando con la materia (haces de electrones con una doble rendija y una pantalla posterior) se extendió a las propias partículas microscópicas individuales generando la denominada “física cuántica ondulatoria” (cuántica debido a partículas individuales y ondulatoria porque se les asignaba comportamientos ondulatorios individuales, cosa que nadie supo entender en ese momento, aunque funcionó por parte de Bohr a la hora de interpretar el electrón del hidrógeno como una onda confinada en la órbita cortical del átomo en el modelo atómico de Bohr y la correcta interpretación de los espectros atómicos). En una reunión de los eminentes físicos cuánticos de la época en Copenhague , se discutió sobre la interpretación ondulatoria de una sola partícula (Bohr, Born, Heisenberg, Einstein, Schrödinger, etc). Debido a la distorsión en la información de la posición y la velocidad (y demás magnitudes mecánicas individuales) de partículas muy pequeñas tanto de sus valores iniciales como de los valores finales, resulta que no podemos describir sus movimientos en forma determinista (valores exactos) . Esta distorsión se debe a que si queremos observar un electrón, este nos debe lanzar un fotón (tras lanzárselo nosotros primero) y darnos su posición y su velocidad, pero por su pequeña masa, quedarían las medidas alteradas gravemente. En el mundo microscópico o cuántico, y cada vez a menores escalas o masas, la distorsión y la indeterminación en la medida de los valores es mayor. Para partículas de menor masa, el intervalo de posibles posiciones es más amplio, al igual que de velocidades. Se dice entonces que tales posiciones “oscilan en probabilidad alrededor de un valor de la posición central al igual que oscilan alrededor de una velocidad central”. A medida que la partícula es más grande, es más macroscópica, más masa, los valores probables distorsionados estarían más cerca del valor central y cada vez más las partículas van dejando de comportarse “probabilísticamente como una onda” y con tales valores más centrados en un único valor central, se comportarían como una partícula.¿Cual fue la interpretación que se le dio en la reunión de Copenhague a esa “onda de materia u onda de la partícula”? La partícula individual, sea material o radiativa, tiene una onda de probabilidad asociada que es la zona del espacio alrededor de ella donde es más probable encontrarla de manera que dicha partícula tiene un pulso de onda de longitud (longitud de onda asociada a la partícula L) según la ecuación de De Broglie, L=h/MV . Si la masa de la partícula es más pequeña, la “L” es mayor siendo un intervalo más grande de longitud donde encontrar la partícula pareciéndose aquí a una onda, más dispersa en encontrarla; contrariamente, si la masa es mayor, partícula macroscópica,“L” es menor, reduciéndose el espacio donde podríamos encontrarla, sería un espacio más puntual, sería un comportamiento más “corpuscular” (en el caso extremos de cuerpos como los que tenemos alrededor, M tan grande que L, tan pequeña, que todo cuerpo lo encontraríamos en un intervalo muy pequeño y, prácticamente , en un único punto probable (determinismo macroscópico). Si iluminamos un camión para poder ver su posición, ese camión prácticamente no alteraría su posición determinada . Aparte del principio de dualidad onda-corpúsculo de De Broglie, Heisenberg aportó sus “principios de complementariedad en la incertidumbre” . De Broglie aportó una relación entre la masa-velocidad (cantidad de movimiento) y la indeterminación en la posición materializada en la longitud de onda de la onda material de la partícula, como hemos visto. Heisenberg, mostró que el acto de medir posiciones y velocidades arrojan indeterminaciones complementarias, si tratas de acorralar a la partícula para que el error o la indeterminación de medir su posición sea bajo no harás más que dispersarla con grandes errores en la velocidad. Ejemplo, envía fotones o electrones a una ranura muy pequeña, controlando así un espacio pequeño por donde pasen, pero, como tienen aspecto ondulatorio, tales partículas se dispersarán en abanico (difracción de electrones o fotones) , con una indefinición en su velocidad (lo hacen con muchas velocidades distintas en dirección). Esta disertación la resumió Heisenberg en su “Primer principio de indeterminación cuántica”: Si la indeterminación de la posición de la partícula es X , se generará una indeterminación en su velocidad V, tal que X M V < h/4pi . Es decir, los productos en las indeterminaciones está limitado con un mínimo . También en las indeterminaciones en la energía ganada/perdida por el sistema físico y la indeterminación en el tiempo que se tarda en ganar/perder esa energía, también tiene un límite inferior E t < h/4pi . En definitiva, lo mismo que en una onda mecánica clásica ,la partícula (de esa ola en el mar o de esa molécula de aire en el sonido) oscila entre dos posiciones extremas con una energía y otra energía que la comunica ; lo mismo que los electrones de una antena oscilan entre dos extremos con una energía , emitiendo energía por ondas electromagnéticas , las partículas físicas (que son corpúsculos) “oscilan en probabilidad de ser encontradas entre dos extremos” allá por donde se mueven, “como si fuese una onda, pero en vez de oscilar posiciones como en la onda mecánica para moléculas o en la onda electromagnética para electrones, la partícula se mueve en una trayectoria que no sabemos pero sí sabemos que se encuentra en esa “zona de probabilidad” llamada “la onda material de la partícula”: Es la “interpretación de Copenhague”. La Física cuántica tiene dos caras complementarias : Por un lado describe una estructura granular de la materia y de la radiación , y por otro lado, tales partículas evolucionan en el espacio-tiempo desde una observación determinista (pantalla con puntos grabados discretos, enjuiciados como corpúsculos, son partículas más bien grandes difíciles de afectar con la iluminación fotónica, con muy poco o casi ningún margen de error al detectarse, su onda tiene una longitud de onda tendente a cero localizando a la partícula en un punto en el espacio-tiempo) hasta una observación indeterminista (pantalla con zonas borrosas claroscuras, enjuiciados como ondas, son partículas microscópicas afectables fácilmente al ser observadas con fotones o con la propia materia al interaccionar, amplio margen de error en la detección , su onda tiene una longitud de onda aceptable o grande, partícula no localizable solo con probabilidades dentro de la onda de materia ).Como muestra De Broglie, a menor masa M , mayor longitud de onda y más carácter ondulatorio con menos seguridad en localizar a la partícula en un solo punto. En el extremo, si esta longitud de onda tiende al infinito, la partícula estaría absolutamente indistinguida a nuestros ojos a la vez que su frecuencia sería nula a la vez que su energía : Este caso extremo es el punto vacío (no hay nada más indistinguido e ilocalizable que lo que no existe).En el extremo opuesto, si la longitud de onda es la más pequeña que existe, es decir, la distancia cuántica de Planck, tendríamos el corpúsculo perfecto absolutamente localizable en un punto sin interior distinguible que poseería la máxima frecuencia y la máxima energía condensable en un punto físico :Se trata de la partícula o bosón de Planck, en el extremo superior de la escala de Planck (véase en espacio y estructura, mínima distancia cuántica de Planck). Podemos sospechar el papel superrelevante que tiene la constante física universal de Planck en la Física cuántica: Por un lado , en la ley de Planck Et =n hf , dada una cantidad de energía de radiación Et, el nº de fotones necesario para cubrirla sería inmenso, dado que “h” es superpequeña ( extrema granulosidad de la radiación en la realidad física); por otro lado, la distancia y tiempo de Planck, mínimos cuánticos de espacio y tiempo, son increíblemente pequeños consecuencia de un “h” tan reducido ; además, según la ecuación de dualidad corpúsculo-onda de De Broglie L=h/(MV) , al ser “h” tan pequeño, solamente las partículas microscópicas presentan indeterminaciones al observarse o medirse por lo que la física cuántica ondulatoria , aún universal , se registra más bien a estos niveles tan pequeños; complementariamente, los principios de Heisenberg, sobre la observación o medida, presentan unos mínimos apreciables hiperpequeños (h/4pi ) ,dado “h” tan reducido que lo son aún más para cuerpos macroscópicos por lo que estos no registran más que un comportamiento determinista. Si imaginariamente, h=0, no existirían los fotones, la luz no sería un haz de fotones sino un océano continuo de energía, los puntos físicos no tendrían una distancia mínima de Planck Xpl, serían puntos nulos o matemáticos, y dicha luz ocuparía todo el espacio, o bien tendríamos materia continua con luz continua (ni se podrían mezclar las sustancias, ni existirían las reacciones químicas, ni la luz se refractaría en la materia, ni existirían los fenómenos físicos), o tendríamos vacío continuo ; por De Broglie, la longitud de onda de las partículas sería cero, es decir, serían partículas absolutas, nada de ondas ni indeterminaciones, determinismo una vez más ; por Heisenberg, no habría errores en la detección de partículas , no existiendo ondas de probabilidad, sino trayectorias curvas o rectas exactas donde los fotones no afectan nada al iluminar y la luz y los electrones dibujarían imágenes perfectas de las rendijas (comportamiento corpuscular puro). Todo absolutamente contrario a lo que la realidad física nos muestra cada día, porque la realidad física es esencialmente cuántica.
7.Las leyes de evolución :
a)Principios de conservación (energía-masa, cantidad de movimiento y momento cinético) , principios de distribución (entropía y la dispersión-concentración), de la sencillez a la complejidad, de lo simétrico a lo asimétrico (local o globalmente).
El Universo, en las tres dimensiones espaciales, se define por su “estructura o distribución de sus entes tangibles y sus propiedades” por el espacio, en un instante del tiempo. Inversamente, un punto del espacio puede cambiar de entes y valores de sus propiedades , constituyendo su “evolución o historia natural”. Como los entes materiales se extienden por el espacio y evolucionan por el tiempo, una descripción física aceptable del Universo o una parte de él sería la narración de los distintos estados de tal parte del Universo (en toda su extensión)a medida que avanza el tiempo. Instante a instante, representados por el tiempo mínimo de Planck, el Universo adquiere una sucesión de estados cuya evolución está regulada por las denominadas “leyes de evolución” que relacionan las propiedades de los entes físicos (materia y radiación) entre sí o estos con el tiempo cronológico que los ordena. Si en el desarrollo de un fenómeno hay un valor físico relacionado con las propiedades del sistema físico que adquiere siempre el mismo valor , se dice que se cumple un “principio de conservación” definido como una relación matemática entre las propiedades del sistema que se mantiene constante en el proceso de cambio. Como siempre, en toda transformación hay algo que se mantienen y algo que cambia. Son conocidos los principios de conservación de la energía , de la masa, de la energía-masa, de la carga eléctrica , de la cantidad de movimiento y del momento cinético. Estas leyes de evolución constituyen unas “simetrías temporales” y nos muestran que una relación de propiedades del sistema físico se mantiene constante en el tiempo, bajo las “condiciones de conservación” (se mantiene cuantitativamente constante). Aún conservándose alguna propiedad individual (ejemplo, la carga eléctrica) o conjunta (ejemplo, la energía mecánica), el sistema de partículas acusa un cambio cualitativo como la forma en que se distribuye por el espacio (ejemplo, las partículas estaban antes concentradas pero luego están dispersadas, igualmente su energía).Veamos los principios de conservación en los que se asienta la esencia física del Universo.
*Ley de conservación de la masa-energía .- En todo sistema físico cerrado (materia, radiación, con sus interacciones) la masa-energía inicial es igual a la masa- energía final. El Universo puede evolucionar en el tiempo de manera que la energía total (incluida la energía en forma de materia) se mantiene constante en todo momento, aunque los valores de esa energía entre sus distintas formas de energía o transmisiones de energía, puedan variar como fruto de que la energía se transfiere de unos entes físicos a otros y dentro de un ente, la energía cambia de una forma da otra de energía , o ambos a la vez. Esta ley de conservación no tiene condiciones pues es universal, eterna y total. Como corresponde a un auténtico origen universal, la energía total del Universo antes del mismo, durante y en el futuro es “0”.
*Ley de conservación de la carga eléctrica.- En todo fenómeno físico, la carga eléctrica total de un sistema cerrado es igual en todo momento. La carga total del universo siempre es la misma y equivale a la carga según un auténtico origen universal, es decir, la carga total del universo es “0”.
*Ley de conservación de la cantidad de movimiento.-Si un sistema físico está aislado o bajo interacción total nula o sufre un cambio instantáneo, la cantidad de movimiento es constante o constante instantáneamente. El Universo es todo cuanto existe y, por tanto, está aislado del resto del espacio vacío, por lo que globalmente, su cantidad de movimiento permanece constante. Como corresponde a un auténtico origen universal, la cantidad de movimiento total del universo es “0” vectorial , además, de que por la simetría radial esférica de los bosones y partículas que genera, se cumple que dicha cantidad de movimiento total sigue siendo cero.
*Ley de conservación del momento cinético.-Si un sistema físico está aislado, entonces, su momento cinético total permanece constante. Para el total del Universo, desde su auténtico origen, el momento cinético total es cero. Cuando el Universo evolucione, se generarán sistemas físicos (las protogalaxias, protoestrellas, o futuras galaxias y estrellas) que rotarán en unos sentidos o en sentidos contrarios pero desde el momento en el que dejan de interaccionar entre dichas partes del Universo, sus rotaciones particulares conservarán su momento cinético ( es más, si por gravedad tienden a condensarse o encogerse, acreción de materia, al disminuir el radio, aumenta la velocidad angular, conservándose el momento cinético) . El Universo, globalmente, también conserva su momento cinético y, además, dicho momento cinético total es cero. Se puede ver en el modelo de superficie esférica que al formarse las protogalaxias estas giran en unos sentidos y en los contrarios de manera que la suma vectorial de todos los momentos cinéticos es cero (simetría esférica).
*Ley de conservación del nº átomos de cada elemento en una reacción química, o del nº másico y nº atómico de una reacción nuclear, o de diversos números cuánticos en los fenómenos con partículas físicas (nº leptónico, nº barionico,etc).
Otras leyes de evolución son las descritas explícitamente en función del tiempo cronológico de tal manera que una determinada magnitud está medida en función del tiempo. Ejemplo, las ecuaciones de movimiento de un móvil en el marco del espacio - tiempo R = R(t) , la velocidad V=V(t) la aceleración a=a(t) , una fuerza en función del tiempo F=F(t) , nº partículas en función del tiempo en la radiactividad o en la desintegración de partículas inestables, N=N(t) ,etc.
b)Transformaciones físicas continuas y transformaciones físicas cuánticas (límites) : Complementariedad de la física cuántica y la física relativista.
Una propiedad del espacio es su “límite de elasticidad energético” que se expondrá aquí en el denominado “limite de densidad lineal instantánea de energía en un punto” DLI, que nos determina el límite en el cual, la energía mecánica en las partículas físicas sigue un proceso continuo (clásico) donde se conserva, o bien, el valor de dicha energía salta de valores emitiendo bosones, en un proceso cuántico (la variación de energía mecánica sería igual al paquete o cuanto que se evacua del lugar a la velocidad “C”). Es la clave que distingue un fenómeno continuo clásico de un fenómeno cuántico discreto. A la hora de establecer el límite entre el fenómeno continuo de energía del fenómeno cuántico se van a tratar las dos interacciones fundamentales basadas precisamente en las dos propiedades intrínsecas fundamentales : La masa y la carga. Esta distinción se verifica para interacciones entre pares de partículas pues es un fenómeno por pares de partículas fundamentales : Para la propiedad masa y su energía gravitatoria se cumple ,en principio, para parejas de todas las partículas físicas, y para la propiedad carga eléctrica, para las parejas dotadas de cargas eléctricas sean cuales fuesen sus signos. Veamos el caso de pares de partículas cargadas eléctricamente que se encuentran, en principio , alejadas una de la otra y se acercan. Mientras no se produzca el fenómeno de la aniquilación por pares partícula/antipartícula, solamente vamos a considerar la energía mecánica. Durante el movimiento relativo de ambas partículas la energía mecánica del sistema de las mismas se mantiene constante y su ubicación corresponde al centro de masas del mismo, punto del espacio que mantiene dicha condensación de energía estable durante este proceso que en principio es continuo pues mantiene la energía mecánica en un valor estable. Hasta ahora, la energía cinética de las partículas se va transformando en energía potencial eléctrica y viceversa. Sin embargo, la realidad física nos muestra que cuando ambas partículas se acercan a reducidísimas distancias o cuando sufren un cambio en un cortísimo periodo de tiempo, experimentan un cambio en las energías mecánicas saltando en un tiempo muy corto desde un valor inicial a otro final y dicha diferencia de energías se transforma en una o dos partículas bosónicas (partícula física en su versión de radiación) que surgen desde el centro de masas cuya energía es precisamente la diferencia de energías mecánica experimentada por el sistema de ambas partículas y que evacua o transporta a dicho salto de energía a la máxima velocidad “C” , en direcciones opuestas y perpendiculares a la línea de unión de ambas partículas cargadas desde el centro de masas .Llega pues un lugar-momento donde se rompe el proceso clásico continuo y de conservación de la energía mecánica y se produce un proceso cuántico de salto discreto en los valores de la energía mecánica con la transformación de dicha energía mecánica ( ubicada en el sistema de ambas partículas, en su centro de masas, debidas a energías vinculadas al espacio-tiempo-interacción, ) en energía cinética pura expulsada en partículas físicas en la modalidad de partícula radiativa (masa nula y máxima velocidad o bosones libres o fotones ). Esta rotura de la continuidad de las energías mecánicas en el tejido espacio-tiempo con interacciones ha provocado un traslado de energía en forma de cuantos de energía de un determinado contenido energético, de frecuencia , masa de movimiento y longitud de onda , llevando dicha información (el salto ocurrido en el origen) a otro lugar donde se producirá justamente el proceso contrario , el bosón ( en estos casos de vuelo libre, el fotón) llega para transformarse en energía mecánica que se lo concede a otra pareja de cargas eléctricas con dos alternativas : La absorción en energía térmica con aumento de las oscilaciones del átomo o la reemisión en energía radiativa con otro fotón emitido (reflexión, refracción, dispersión o difracción, foco secundario de Huygens). Regresemos al origen de la producción de bosones resultados del salto cuántico en la energía mecánica. Una partícula cargada que se acerca a otra puede comportarse de dos maneras distintas, pero la realidad física nos muestra solamente una de ellas: La carga puede ir acercándose a la otra mientras su energía mecánica puede experimentar una estela de microsaltos en sus valores de tal forma que emitiría muchísimos bosones de poca energía. En el límite de lo continuo sería que la carga emitiría infinitos bosones de contenido nulo, o dicho del modo clásico, simplemente la energía mecánica se conservaría en un movimiento donde la energía cinética se transforma exactamente en energía potencial. Contrariamente a lo anterior, en todos los fenómenos microscópicos (el espectro del hidrógeno o todo el espectro electromagnético, los choques entre partículas en el laboratorio o en los rayos cósmicos, los bruscos frenados en la producción de rayos X , las radiaciones gamma provenientes del núcleo, los fotones que provienen de las estrellas ,etc, etc) , observamos que no se reciben numerosos fotones de baja energía ( de la zona de radiofrecuencias o menos) sino que la realidad física nos muestra que la riqueza de fotones que se producen por los fenómenos entre pares de cargas eléctricas es asombrosamente diversa desde frecuencias y energías muy bajas hasta frecuencias y energías fantásticamente altas de muchísimos órdenes de magnitud de diferencia. Esto nos muestra que el fenómeno cuántico no consiste en una estela muy numerosa de microsaltos en los valores de la energía mecánica sino en un salto en un determinado momento-lugar que debe cumplir un determinado” criterio límite “ que delimita un proceso continuo ( de energía mecánica constante) de un fenómeno cuántico de salto en el valor de dicha energía y simultánea emisión de la partícula energética o bosón. El criterio debe estar relacionado con alguna especie de “rotura en los valores de la densidad de energía del par de cargas”. Tal cambio en el comportamiento físico de las partículas debe estar relacionado con algún límite en la intensidad de la energía (por analogía con el paso de la elasticidad de los cuerpos a su plasticidad, del paso del deslizamiento perfectamente liso al rugoso con disipación de calo en el deslizamiento por superficies , o bien, en la colisión elástica a la inelástica ). Como los fenómenos cuánticos donde la energía mecánica continua pasa a un salto discontinuo con transformación en partículas radiativas ocurren en corto espacio y tiempo, cuando los cambios de energía mecánica son de alto gradiente (respecto al espacio) y/o de alto ritmo o potencia (respecto al tiempo) ,una magnitud conjunta de ambas puede facilitarnos el criterio que distinga el fenómeno continuo del cuántico : “La densidad de energía lineal instantánea en un punto”. Este parámetro mide la relación entre la variación de energía mecánica experimentada en la pareja de partículas y la variación de espacio producida en el movimiento relativo, en relación a su vez con el intervalo de tiempo producido. Es una densidad energética lineal y temporal , midiendo el grado de intensidad con el que se está produciendo la interacción y este es el criterio con el cual, el proceso “rompe” la continuidad de la energía mecánica que deja de ser constante para variar y transformarse en un par de bosones que se emiten al exterior (el proceso deja de ser elástico con conservación de la energía mecánica y se convierte en inelástico irrecuperable con emisión de partícula radiativa cuántica e inalcanzable, por ello, su carácter de partícula de máxima velocidad). Para delimitar un proceso del otro, debe existir una densidad de energía lineal instantánea DLI mínima a partir de la cual el proceso es cuántico y por debajo de la cual, el proceso es continuo. Como observamos en la figura anterior, transformamos la expresión de definición de DLI , en el producto de un gradiente de la fuerza interactiva por la velocidad relativa entre las partículas. Este producto , si es menor que una cierta DLI límite, las partículas se acercan conservando su energía mecánica y transformando íntegramente la energía cinética en potencial o viceversa; pero si tal producto es mayor o igual que dicho valor límite, entonces , se produce un salto cuántico disminuyendo la energía mecánica en Emo-Emf creándose un par de bosones, como ya se ha comentado. Los factores que determinan uno u otro proceso son pues el gradiente de la fuerza y la velocidad relativa de las partículas. En la figura observamos que el gradiente frente a la velocidad nos muestra dos regiones generales delimitados por la curva definida por la igualdad GradF x Velocidad = DLI mínima . Los puntos por encima nos muestran los estados (GradF,V) donde se cumplen el salto cuántico con emisión de bosones : Entre estos estados tenemos la zona de producción de fotones de rayos X y en colisiones de protones (grandes velocidades con gradientes medios) , zona de producción de fotones desde la corteza atómica o del núcleo (grandes gradientes de campos) , zona de producción de gravitones (intensísimos gradientes de campos gravitatorios de agujeros negros). En la otra zona, de continuidad en la energía mecánica tenemos la zona de los experimentos de Bertozzi (altas velocidades pero campos no muy intensos, donde no se producen fotones). Si nos fijamos en la recta vertical correspondiente a los propios fotones dentro de campos gravitatorios (no son sensibles a los eléctricos)vemos que hay una pequeña zona que corresponde a movimientos de fotones en campos gravitatorios donde la energía mecánica se conserva y la energía cinética del fotón se transforma en e. potencial gravitatoria, al alejarse del centro atractor , disminuyendo su e. cinética-masa-frecuencia (Efecto Einstein gravitatorio continuo) con corrimiento al rojo. Un fenómeno que no podemos observar ya que se produce cuando el fotón cae a una estrella muy masiva con alto campo gravitatorio es el corrimiento al violeta ya que aquí ocurre el proceso contrario. Sin embargo, en la parte superior de la recta indicada, el fotón experimenta emisión de partículas por saltos en su energía mecánica (cinética pura más potencial gravitatoria) siendo tales partículas unos “bosones de bosones” , llevándose una mota de energía casi imperceptible en forma de una partícula casi fantasma denominada “gravitón” del cual se tratará en otro apartado. Veamos el mecanismo microscópico donde se produce un salto cuántico debido a que las condiciones gradiente-velocidad pertenecen al área superior de la gráfica. Como muestra la imagen , al lanzar un protón contra otro, en condiciones continuas (área inferior de la gráfica Figura nº 34 ) el protón de la derecha debería parar en el punto Rcl o distancia de aproximación mínima clásica (toda la energía mecánica que llevaba se ha transformado solamente en potencial eléctrica) .Sin embargo, el protón para a una distancia mayor Rcu , habiendo una diferencia de energías mecánicas entre un caso y el otro : Esa diferencia de energías mecánicas es precisamente la energía que se ha transformado en un par de fotones en el centro de masas del sistema de ambas protones en colisión.
Veamos el destino de ambos bosones según el grado de acercamiento que corresponde al nivel de energía mecánica del sistema y que corresponde a las velocidades de colisión : Si las velocidades son bajas , no llegan ni a lugares de altos gradientes (lejanía) , de manera que los protones colisionan elásticamente rebotando y conservando su energía mecánica (es un fenómeno continuo clásico) ; si las velocidades son mayores llegan a zonas de más alto gradiente, pudiendo cumplir el requisito de salto cuántico produciéndose un par de bosones que se expulsan hacia el exterior ( rayos X, bosones productos de colisión ) ; si las velocidades son más altas aún, la cercanía es mayor, se producen bosones que instantáneamente se confinan entre ambos protones a la distancia de las fuerzas “fuerte” tratando de enlazar a ambos protones pero este confinamiento es inestable ya que no existen alrededor los suficientes otros protones y electrones que logren apelmazarlos y conseguir un neutrón o un núcleo atómico suficientemente estable , al final, los bosones se irradian al exterior ; si las velocidades son más altas aún, se producen bosones de tal energía y altísima inestabilidad ( al tiempo mínimo de Planck) que no logran desplazarse ni siquiera a la velocidad C, e instantáneamente, se materializan en una pareja de partículas material/antimaterial , que se mueven perpendicularmente a la línea de colisión pero en sentidos inversos. Estos bosones son otros bosones creadores de masa y partículas materiales. Estas partículas materiales con mayor o menor masa-energía se transforman en una serie de desintegraciones en partículas menores dispersándose hasta terminar en las conocidas partículas materiales estables. Así se forman las partículas que constituyen la materia ordinaria y la antimateria así como la materia oscura de neutrinos. Estos fenómenos se visualizan en los laboratorios de altas energías y en las colisiones de los rayos cósmicos en la atmósfera. También constituye el fundamento del origen de la materia/antimateria del origen del Universo en el Big Bang ( de superficie esférica) pero esta vez ,no por colisiones, sino por transformación directa de bosones creadores originales en partículas materiales.
Al principio, el proceso de discretización de la energía se produce tanto en los campos gravitatorios como en los eléctricos pero el salto cuántico en las partículas cargadas anula al correspondiente gravitatorio, pues antes se produce el cambio de energía en los campos eléctricos que en el correspondiente gravitatorio porque las interacciones eléctricas son mucho más intensas y los saltos se producen antes de que las partículas cargadas se acerquen lo suficiente para que quepa la posibilidad de un salto en la energía mecánica por gravedad. Por tanto, solamente es real el salto cuántico por gravedad ( y emisión de gravitones ) en partículas neutras que evaden las interacciones electrostáticas ( concretamente, en fenómenos de pares de partículas donde una al menos es neutra ,claro ) como fotones y neutrinos en campos gravitatorios intensos . Lo visto anteriormente vale para protones en colisión. Se extiende a protones y positrones en repulsión y en antiprotones y electrones en repulsión , con la diferencia que las partículas más ligeras rebotan con mayores aceleraciones no llegando fácilmente a las zonas de altos gradientes (reducidas distancias) siendo más difícil la consecución de los fenómenos cuánticos. Para partículas de distinta masa y cargas opuestas ( neutrón y antineutrón, con interacción electrodébil ; átomos y antiátomos con interacción eléctrica) , las partículas ligeras orbitan alrededor de las más pesadas en campos circundantes de alto gradiente con altas velocidades lo que propicia fácilmente al fenómeno cuántico donde se producen saltos en la energía mecánica que se traduce interactiva y geométricamente en diversas órbitas estacionarias con emisión/absorción de fotones libres. Dentro del núcleo, una vez estabilizado por una adecuada compensación de protones y pares electrón-protón( neutrones) se producen saltos cuánticos entre pares de protones ( con emisión mutua de bosones- gluones confinados a cortísima distancia en interacción fuerte) y entre pares de protón-electrón dentro del neutrón ocasional (con emisión mutua de bosones-debilones) en dicha interacción débil . Un último caso que tratamos con respecto al fenómeno cuántico es la interacción entre una partícula y su antipartícula en el doble fenómeno opuesto de la materialización y aniquilación. Cuando una partícula es atraída eléctricamente por su antipartícula se llega a distancias excelentemente cortas donde los gradientes de fuerza y las velocidades son muy altos e irremediablemente se produce el salto cuántico donde ahora es “toda la energía de las partículas” (tanto la mecánica como la energía interna derivada de la masa interna de reposo), la que se transforma íntegramente en un par de bosones de energía cinética pura. Este es el fenómeno donde las partículas materiales fermiónicas se transforman en partículas radiativas bosónicas (fotones de altísima energía, con posibilidad de transformarse de nuevo en nuevas partículas pero de menor masa con conversión de la energía cinética pura en energía material y mecánica , pero ahora tales partículas con sus energías están más distribuidas por el espacio, según el principio de dispersión de la energía-masa).En todo caso, al igual que existe un límite que distingue el comportamiento de las partículas materiales de las radiativas, los fermiones de los bosones, a través del límite de la velocidad C, debe haber una condición que delimite los fenómenos continuos donde la energía asociada al espacio-tiempo o energía cinética y la energía asociada a la interacción , en total, la energía mecánica, o más completamente, la energía total, se conserva, distinto a cuando la energía salta de valor bruscamente surgiendo el bosón en el fenómeno cuántico (siempre se conserva la energía total en todas sus versiones o formas). Cuando las partículas alcanzan grandes velocidades próximas a la de la luz debido a altísimos campos gravitatorios y /o electromagnéticos, fenómenos bien descritos por la relatividad especial (por parte de las altas velocidades) o la general (por parte de la presencia de altos campos gravitatorios como los agujeros negros), los potenciales interactivos son tan inclinados que constituyen escalones bruscos pasándose de un proceso continuo aunque relativista a un proceso cuántico, rompiendo la continuidad en la conservación de las energías mecánicas y saltando estos valores bruscamente, emitiendo tal diferencia de energías en forma de bosones libres (fotones o gravitones) o fotones confinados en el núcleo (gluones y debilones o bosones intermedios), o en otro caso, bosones instantáneos H creadores de partículas materiales. Podemos decir que de la misma manera que la física relativista complementa o perfecciona a la física clásica en la región de las altas velocidades, la física cuántica complementa a la relativista y a la clásica para variaciones bruscas de energía (cuando la continuidad pasa a la discontinuidad).
8.Principios de superposición ( de campos interactivos , de fuerzas , de potenciales y energías potenciales).
Cuando una partícula está sometida a las interacciones de varias partículas, la interacción total ( gravitatoria, electromagnética o nuclear) es la suma de las interacciones individuales tanto en su versión dinámica de campos y fuerzas ( aquí sería una suma vectorial) como en la versión energética de potenciales interactivos y energías potenciales (aquí sería una suma escalar). Este principio de superposición no se aplican a los campos interactivos y los potenciales interactivos de distinta naturaleza pues no pueden unificarse ( no se pueden unificar los campos gravitatorios y electromagnéticos) dado que las masas y las cargas no son proporcionales, como ya se ha visto. Sin embargo, las fuerzas y las energías de distinta naturaleza pueden operarse y unificarse en la llamada fuerza total sobre una partícula o energía total de una partícula, para fuerzas y energías de distinta naturaleza como de distintas fuentes. Este principio de superposición nos unifica de otra forma todas las causas que actúan sobre un cuerpo y que da como consecuencia un efecto conjunto sobre el mismo. Si tenemos una partícula inmersa en el campo de otras tantas (i-partículas), la fuerza que realmente diseña el destino de la misma es la fuerza total tanto de todas las partículas que interactúan como de todas los tipos o naturalezas (suma vectorial): Ft=Suma(Fgi) + Suma(Femi) + Suma(Fni) En tal superposición, la suma de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas se extienden al resto del Universo ya que estas son fuerzas de ámbito infinito. Sin embargo, las fuerzas nucleares fuerte y débil, solamente atañen a la interacción con partículas vecinas en un radio de acción correspondiente a la distancia de confinamiento nuclear. Por esta razón, dentro de un núcleo atómico, todos los protones se repelen con todos los protones siendo el efecto conjunto bastante intenso y , sin embargo, la fuerza de atracción fuerte que se establece con los pocos vecinos que rodea a cada protón debe , al menos, igualar la anterior repulsión, siendo la justificación del porqué las fuerzas nucleares fuertes deben ser bastante más intensas que las electromagnéticas (en un factor de 100). La ecuación de balance de fuerzas anterior es válida en las medidas realizadas en un sistema de referencia inercial y si no es así habrá que añadir la fuerza de inercia Fi =-ma , que no es una superposición sino derivada de un efecto de movimiento relativo(del sist. de referencia). Desde el exterior de un núcleo, las fuerzas internas a él no afectan al conjunto del propio núcleo ya que tales fuerzas internas se cancelan mutuamente por el 3º principio dinámico. Desde un punto de vista energético, una partícula inmersa en el campo de las demás, posee una energía potencial dada por: Ep = Suma (Epgi) + Suma(Epei) + Suma(Epni) , energía que debe sumarse a la energía cinética Ec y a la energía interna Eo, para quedar de la forma: Et =Eo + Ec + Ep , siendo la suma Em = Ec + Ep , la denominada energía mecánica.
9.Aplicaciones a la Física de grandes sistemas físicos : Sistemas termodinámicos de partículas y sistemas astrales.
a)Termodinámica y Universo.
El Universo es el sistema termodinámico más amplio que cumple tanto el primero como el segundo principios termodinámicos. El primer principio no es más que el principio de conservación de la energía que ya ha sido mencionado anteriormente. Desde el punto de vista cuantitativo , el primer principio nos dice que la cantidad total del Universo permanece constante y tan solamente cambia las formas de manifestarse o formas de energía. Se tiene que la energía absoluta total del Universo es cero antes, durante y en la futura evolución del mismo. Inicialmente, tal energía se encontraba en su mitad positiva inercial que es la que se va a encargar de transformarse en todas las formas de la naturaleza y dará dinamicidad al Universo y la segunda mitad negativa que es la energía total gravitatoria que también se transformará en otras formas. Desde el punto de vista más elemental, toda partícula que se desintegra o se asocie o se transforme en otras o colisione, debe cumplir el principio de conservación de la energía total y también el principio de conservación de la cantidad de movimiento. Desde el punto de vista cualitativo, unas formas de energía se transforman en otras. En el fenómeno más simple, puntual, una partícula que se desintegre o colisione en un punto con otra , además de conservar los principios anteriores, las partículas resultantes deben distribuirse por el espacio para tender a uniformarlo, a ocuparlo trasladándose radialmente (a aumentar la entropía). Para el caso del fenómeno no continuo o cuántico, cuando unas partículas originales se desintegran (expulsan neutrinos) o colisionan (expulsan fotones) o saltan cuánticamente por cargas eléctricas o por masas que se aproximan (expulsan fotones o gravitones), además de las partículas nuevas que continúan, expulsan otras partículas para “distribuirlas lo más ràpidamente” por el espacio. Esto significa que se tiende a la máxima dispersión (principio de dispersión máxima), tratando de uniformar el espacio (naturalmente ,solamente es una tendencia local, del momento, porque es imposible la uniformización del espacio con 2 o 3 partículas),que significa en Termodinámica, tender a la máxima entropía. En estos fenómenos cuánticos, las partículas más eficaces para ello son los neutrinos y los fotones. Aquellas partículas logran mayor aumento de entropía en fenómenos puntuales porque los neutrinos sin carga no se afectan por campos electromagnéticos y no son absorbidos por pares de cargas eléctricas, con raras colisiones, escapando fácilmente, aunque su velocidad es limitada ; por otra parte, los fotones viajan a la máxima velocidad natural con lo que evacuan energía más rápidamente sino fuera porque sí son fácilmente absorbible por pares protón-electrón (aunque tampoco se afecta por campos electromagnéticos).Los gravitones se comportan de forma análoga a los fotones pero en oscilaciones de masas en altos campos gravitatorios. En todos estos casos, la entropía aumenta, como corresponde al 2º principio termodinámico. Desde un punto de vista cosmológico, en el extremo opuesto de la escala de la materia y de la energía, el Universo es un sistema aislado y según el 2º principio de la Termodinámica la entropía permanece constante o está en pleno aumento. Para que permanezca constante, el Universo debe llegar al máximo de entropía que corresponde a un Universo totalmente uniforme y en equilibrio macro y microscópico. Desde luego, el Universo actual no está en tal estado sino que se puede considerar relativamente joven y su estructura actual deja de ser uniforme (puede ser uniforme localmente y a grandes extensiones). La estructura a la escala más grande se verá en un próximo capítulo pero aquí se adelanta que está formado por un espesor esférico material que se expansiona y un espesor esférico antimaterial que se contrae. Por la parte material que se expansiona va aumentando su entropía mientras que en la parte interior la va disminuyendo. La inercia expansiva (macroscópicamente) y la energía térmica (microscópicamente) tienden al aumento de entropía de los sistemas astrales mientras que la gravitación tiende a la contracción y la disminución de la misma. La formación de la materia por acreción gravitatoria a partir de restos esparcidos por el espacio disminuye la entropía.¿Cual será el balance?, Quizás halla igualdad en cuanto a este criterio entrópico y , por parte de la materia y antimateria, no varíe importantemente la entropía globalmente respecto a la zona material y antimaterial. Pero nos olvidamos de las partículas que se escapan al exterior (al igual que en el fenómeno cuántico visto en las líneas anteriores) que son los neutrinos y los fotones. Los primeros se escapan fácilmente pero con velocidades altas y los segundos se escapan más costosamente (desacoplamiento fotónico) pero viaja a la máxima velocidad natural. Esta esfera de neutrinos y más externamente de fotones, son las que hacen que la entropía siga creciendo continuamente, tratando de uniformizar el espacio, hacia el infinito. Otro punto interesante en cuanto a la entropía es que esta, como hemos visto, aumenta mientras que la materia y la radiación se expanda al espacio abierto y disminuya con las interacciones atractivas (gravedad y electrostática atractiva de enlace nuclear, atómica, molecular y material , en general). Sin embargo, a nivel biomolecular los átomos se enraciman generando una asombrosa y prácticamente infinita variedad de compuestos bioquímicos y ,así mismo, de seres vivos. ¿Cómo es posible que se verifique el 2º principio de la Termodinámica si una mínima fracción de materia en un corto periodo de tiempo ha logrado la mayor complejidad material imaginable, mientras que el Universo en su conjunto tiende al aumento entrópico , a la máxima uniformización, según tal principio? La clave está en la interpretación de tal principio termodinámico. Los sistemas materiales evolucionan de dos formas conjuntas opuestas: Hacia la condensación y hacia la dispersión. La primera se cumple cuando los sistemas materiales están bajo interacciones atractivas (la gravedad para los astros y el electromagnetismo efectivo atractivo para la materia); la segunda se cumple para sistemas materiales formado por partículas de la misma carga por repulsión y partículas libres neutras por difusión al espacio). La vida está formada por biomoléculas que eléctricamente se atraen (enlaces atómicos y moleculares) ,enracimándose y diversificándose, evolucionando hacia la complejidad (todo contra el aumento de entropía, es decir, hacia la disminución de entropía, hacia la concentración y el máximo orden) , hacia el asiento de la mente y de la consciencia (de la esencia física emergió la esencia mental, para concretarse en la consciencia que observa, recuerda ,juzga y busca : Es el Universo que se busca a sí mismo hasta encontrarse, aquí en nuestro planeta ,como ser humano).
b)Física de la rotación de astros y sistemas astrales.
En la Física de partículas, el objeto de estudio es la partícula fundamental puntual la cual puede adquirir tres tipos de situaciones cinemáticas: El reposo , el movimiento uniforme (rectilíneo o curvilíneo, circular) o el movimiento acelerado ( tangencial y/o centrípetamente) ; al no contener estructura interna no cabe la posibilidad de rotaciones sobre sí mismo. Sin embargo, un sistema de dos partículas enlazadas (o no) pueden establecer un movimiento de acercamiento/alejamiento en una dimensión ; para tres partículas en dos dimensiones en plano, pueden establecerse movimientos relativos de giros de unas alrededor de otras así como para el caso de 4 partículas en 3 dimensiones. En general, para un enjambre de partículas no libres, sometidas a interacciones gravitatorias y electromagnéticas para construir estructuras materiales, el destino de cada una de las partículas está unido al comportamiento cinemático global de todo el sistema al que pertenece . Tal es el caso de los sistemas materiales astrales o astros como los pequeños asteroides, los satélites, planetas, estrellas (sistemas planetarios ), cúmulos estelares, nebulosas, todo ello conjuntamente formando las galaxias , estas en conjuntos constituyendo los cúmulos galácticos , supercúmulos y ,totalmente, el mismo Universo. Cada partícula de un astro (o cualquier sistema material astral o de conjunto de astros) está atraída gravitatoriamente por el resto del sistema al que pertenece ( a la larga, a todos los sistemas circundantes, más a la larga a todo el resto del Universo , aunque cada vez con menos intensidad) de manera que tiende a precipitarse sobre el centro de gravedad del mismo . Esta es la clave de la formación de dichos sistemas materiales, fenómeno que se denomina “acreción gravitatoria”, y se produce en todo lugar y momento : En la formación de las primeras protogalaxias a partir de las primeras partículas materiales, en la formación del núcleo galáctico, en la formación de los diversos astros esféricos (con ignición interna como las estrellas o sin tal ignición como en los planetas y sus satélites , en los agujeros negros, etc). La Mecánica de rotación de sistemas materiales queda determinada por la ley dinámica de rotación dada por M= I a , donde la causa de la rotación es el “momento de fuerzas externas M , el efecto es la aceleración angular “a” (cambio de la velocidad angular “W”, a=dW/dt ) y “I” una cierta “masa inercial de giro alrededor del eje de giro” denominada “momento de inercia I” (relacionado con el tamaño y forma del cuerpo). Para movimientos giratorios alrededor de un eje (los movimientos de rotación de astros alrededor de su eje de rotación ) el momento de las fuerzas aplicadas es M= F r sen z , siendo F, fuerza externa aplicada, r, distancia punto aplicación hasta el eje de giro y ,z, ángulo entre el vector fuerza y el radio vector punto de aplicación-eje giro. Por otra parte, la ley de rotación puede expresarse por M=Ia = I dW/dt = d(I W)/dt , denominamos L= I W , el “momento cinético” del cuerpo en giro (una especie de cantidad de movimiento pero de giro) , donde I, es el momento de inercia y W , la velocidad angular. ¿Qué ocurre cuando , una vez formado un astro, los demás astros atraen gravitatoriamente a dicho astro (el Sol atrae a la Tierra, la Tierra atrae a la Luna, todos se atraen entre todos? . Las fuerzas gravitatorias son centrales, se atraen los astros por pares mutuamente, pero tales fuerzas están aplicadas en el centro de los astros (aproximadamente),por donde pasan sus ejes de rotación. Eso significa que el momento de fuerzas M=F r senz =0 ,porque distancia punto aplicación-eje es r=0 . Si el momento sobre un astro es cero, resulta que L= I W = cte . Un astro como la Tierra viajará por el espacio en trayectorias elípticas pero su velocidad angular de giro sobre sí misma es W=cte (siempre que no cambie de tamaño o forma, es decir, I=cte). La Tierra viaja girando a la misma velocidad angular y con el eje de giro constante (paralelo a sí mismo en todo el trayecto), como ocurre realmente, sin que nada externo perturbe este estado. La Luna gira sobre sí misma a la misma velocidad y con el mismo eje, imperturbablemente ,etc. Sin embargo, aparece un efecto colateral de la gravitación que puede provocar un ligerísimo y prácticamente indetectable efecto de frenado en la rotación de un astro. Si un astro atrae a otro (como la Luna a la Tierra) y posee grandes masas fluidas como los mares acuáticos, que se desplazan a lo largo de dicho astro, provocando rozamientos y transformando parte de la energía de rotación del planeta en calor, puede generar un ligerísimo frenado en la velocidad angular de giro. Este “freno acuático” lo posee la Tierra, son las mares y océanos en su vaivén de mareas por la atracción lunar y la inercia giratoria, de lo cual no vamos a profundizar más. Mientras que, salvo el efecto acuático anterior, los astros giran a la velocidad angular constante y su eje de giro permanece fijo en el espacio, en la formación de dichos astros no ocurrió así. Todos los astros se originaron a partir de un cúmulo de materiales originales (nebulosas, nubes de partículas originales universales, restos de explosiones de supernovas o de hipernovas) que se encontraban dispersos por el espacio ocupando un asombroso volumen y estando cinemáticamente en reposo o casi en reposo. Cuando tal resto de materiales dispersos se atrajeron gravitatoriamente todo hacia todo, hacia su centro de masas, la nube de materiales ocupaba una extensísima región, por lo que tenía un momento de inercia “I “ enorme, pero una velocidad angular “W” muy baja, la nube casi no rotaba. Como vimos anteriormente, el momento de fuerzas externas a la nube (el resto del universo) es cero, de modo que L= I W=cte. Se cumple el principio de conservación del momento cinético, Lo=Io Wo = I W = Lf .La velocidad angular final es, W = IoWo/I , donde la nube, al condensarse en astros de tamaño muchísimo más reducidos, con el momento de inercia I muchísimo más pequeños, aumentó considerable su velocidad angular final W. Por esta razón, se formaron astros de poco radio en tamaño y con gran velocidad angular a partir de nubes de materiales enormes aunque casi en reposo. Este es el origen del movimiento de giro angular de las partículas de un sistema de partículas alrededor de un eje de giro : Astros esféricos que giran alrededor de sus ejes de giro, satélites alrededor de planetas, planetas alrededor de estrellas, estrellas alrededor de cúmulos estelares e incluso galaxias, galaxias alrededor del centro de cúmulos galácticos, dominios materiales pregalácticos que formaron protogalaxias, protogalaxias que formaron las primeras galaxias , etc. Además de la acreción gravitatoria o atracción de todo el material de la nube original de materiales para formar centros astrales con masas altamente giratorias y más o menos densas, la inmensa avalancha o lluvia de colisiones provocó un calentamiento en la masa en formación que construirá la futura energía interna del astro (energía geotérmica en nuestro planeta) y si este calentamiento es extremo (debido a que la masa condensada es enorme, masas estelares)se formarán las futuras estrellas ya que tales temperaturas y tales energías reinciden en sí mismas para promover la fusión nuclear, punto clave que diferenciará una estrella de un astro oscuro (como planetas,satélites,cometas,asteroides,etc).
Otro efecto del movimiento de rotación de los astros sobre un eje es el campo magnético que crean tanto en su interior como en el exterior y a grandes distancias. Los astros al rotar arrastran iones positivos o negativos en su interior formando corrientes eléctricas circulares alrededor del eje de rotación o aproximadamente alrededor del mismo . Los astros rotantes se asemejan a solenoides (que a su vez se asemejan a imanes) creando un campo magnético con polo norte (líneas de campo salientes ) y polo sur (líneas de campo entrantes). En el planeta Tierra, el polo sur magnético se encuentra casi en el norte geográfico y viceversa , provocando que partículas cargadas provenientes del Sol o del espacio se desvíen hacia estos polos, protegiendo a los seres vivos (producen auroras polares). Este último apartado referente a los efectos del giro de los astros sobre un eje , trata de la forma cuasiesférica o esférica achatada en los polos de los mismos. Tratemos de un astro sin rotación (sistema de referencia reposo inercial).La explicación de la forma esférica de los astros reside en la simetría esférica radial de la interacción central de la gravedad. Mientras que los materiales del planeta se atraen todos con todos, la simetría provoca la forma esférica del astro: Cada porción de su superficie (por ejemplo),está sometida a la atracción gravitatoria del resto del planeta que se dirige radialmente al centro del planeta y queda anulada o equilibrada por la fuerza normal de contacto (repulsión electromagnética) que se dirige radialmente hacia las afueras. Sin embargo, si el planeta estuviese en movimiento de rotación (el suelo sería un sistema de referencia circularmente acelerado no inercial, con aceleración radialmente desde el eje perpendicularmente a las afueras en cada punto del suelo), a las fuerzas anteriores hay que añadirle la fuerza de inercia (dirigida desde el eje terrestre, perpendicularmente hacia las afueras) , provocando que a latitudes bajas, cerca del ecuador, la aceleración y fuerza de inercia es alta y en los polos son nulas, de modo que la Tierra se ensancha en el ecuador y en los polos no existe ningún efecto. La Tierra es achatada por los polos y ensanchada por el ecuador. Mientras más lentamente gire el astro y más fuertemente se cohesionen sus partes (materiales, continentes, capas sólidas) dicho astro estará menos achatado. Mientras más rápidamente gire y sea más fluido, más achatado será el astro. Este fenómeno ocurre también con sistemas astrales como los sistemas planetarios pues la estructura de estos, a grandes rasgos , está formada por un núcleo central (estrella) y el resto de los materiales se ha ido formado y distribuyendo a su alrededor de forma que forma un disco amplio donde se encuentran los astros orbitales, anillos materiales, etc (se dice que este sistema está achatado por el ecuador, que aquí sería el plano de la eclíptica).Análogamente, pero en dimensiones supragigantescas , la galaxia se comporta de la misma forma pues al girar, tiene un núcleo denso e inmenso en el centro (como el Sol en el sistema solar) rodeado por un disco giratorio muchísimo más ancho (aunque aquí aparecen brazos e intersticios ) o plano de la galaxia. Para astros giratorios sobre sí mismo, las fuerzas gravitatorias y electromagnéticas de contacto o normales, hacen posible que sus puntos internos y externos giren sobre el eje. En los sistemas planetarios y galaxias, son únicamente las fuerzas gravitatorias las que permiten tal estructura estable de astros girando alrededor del eje del astro central. Para un sistema de partículas, cuando se le aplica una fuerza a un punto del mismo esta fuerza intenta afectar a la partícula o grupo de ellas, que luego afectará a las siguientes y al final al sistema entero de partículas provocándole un efecto de rotación conjunta. Sin embargo, si la acción es sobre el conjunto entero del cuerpo, simultáneamente, como ocurre con la gravedad (un astro gravitatoriamente sobre otro astro), la fuerza efectiva total está situada sobre su centro de gravedad no logrando efectos de rotación algunos. Ejemplo, la Tierra atrae gravitatoriamente a la Luna y el único efecto que le provoca es el de girarla conjuntamente para que adquiera una trayectoria elíptica pero no influye en el movimiento de rotación de la Luna (salvo efectos de gradiente gravitatorio que no explicamos). Solamente en el caso de que algún astro posea fluidos que al ser arrastrado por la rotación, parte de la energía mecánica de rotación se invierta en calor por fricción, frenando al astro, entonces sí influye en tal rotación. Es el caso de la Tierra: La Luna provoca la circulación de aguas por la superficie de la Tierra por la atracción de la gravedad y por la inercia de rotación (las mareas), perdiéndose parte de la energía mecánica por fricción (transformándose en levemente en energía térmica), y dando lugar a un progresivo pero muy lento descenso de la energía mecánica de rotación y ,por tanto, de la velocidad angular de la Tierra, alargando cada vez más la duración de los días, aunque de forma prácticamente imperceptible. Tan solamente añadir que la diferencia entre la forma de lo astros esféricos y los sistemas astrales, en cuanto a su forma, uno con formas cuasiesféricas y los otros con formas planas discoidales, es que en los primeros se tiene una compacidad debido a las fuerzas de contacto electromagnéticas que se compensan con la acreción gravitatoria y la rotación inercial, dando esas formas ; en los sistemas de astros como un sistema planetario o una galaxia, la fuerza que mantiene al conjunto solamente es de carácter gravitatorio con aceleración centrípeta de giro y esta estabilidad solamente se adquiere cuando el sistema tiene una forma plana discoidal. En cúmulos donde los astros giran alrededor del centro de gravedad del grupo, en cualquier plano, las colisiones son probables (en la configuración de disco plano, no hay ya colisiones entre astros, están estabilizados astronómicamente) y a la larga, las geometrías esféricas tenderán a las geometrías discoidales planas , situación a la que se tiende y en la que están la inmensa mayoría de los sistemas astrales de cualquier tipo.
c)Física de una implosión-explosión.: Aplicación al Big Bang, a la formación de galaxias, estrellas y agujeros negros.
Se denomina explosión a un proceso físico y/o químico que ocurre en poco tiempo donde se libera una gran cantidad de energía (cierta energía potencial interna, como la química en las bombas químicas, la nuclear en las bombas nucleares, la gravitatoria-electromagnética en las novas, supernovas e hipernovas o un caso simple microscópico como la energía inercial en la materialización de bosones en partículas y antipartículas) que se transforma en cinética y potencial en las partículas materiales resultantes y radiativas ( fotones) . En toda explosión se conserva tanto la cantidad de movimiento como la energía total (por razones de instantaneidad o porque la explosión se ha realizado en el espacio libre de fuerzas externas). Sin embargo, en toda explosión, cada partícula que emerge de la misma radialmente hacia las afueras, previamente ha interaccionado con el resto según el tercer principio de la dinámica. Por ello, para que una parte de la metralla se expansione radialmente hacia las afueras, se ha tenido que implosionar hacia el centro del sistema en explosión otra parte del mismo. El caso más elemental : Para que dos patinadores se separen, uno empuja al otro y viceversa, consiguiéndose que ambos se separen (“explosionen”).Para el caso de un sistema complejo de partículas (astros) cuando un astro se ve que está explotando hacia las afueras, paralela, simultánea y simétricamente, se está implosionando la parte interior. Una parte del sistema se expande hacia las afueras y otra parte se concentra en el centro, para una simetría esférica, como pasa con los astros, que es el caso que más nos interesa. En una explosión-implosión, se cumple que se conserva también el momento cinético Lo= Io Wo = I W = Lf . En una explosión central, simétrica, la velocidad angular del astro no influye por lo que debe cumplirse que el momento de inercia Io debe ser igual al momento de inercia final que son dos regiones, la zona interna implosionante y la zona externa explosionante, es decir, Io=Iext + Iint , si la parte externa aumenta de radio, aumentando I ext , la parte interna debe disminuir de radio , disminuyendo Iint . Veamos una supernova : Cuando la gravedad vence a la presión electromagnética del gas, el conjunto del astro se colapsa hacia el interior (Contracción). Cuando toda la masa está contraída se produce un “rebote global”, y aquí, la zona externa empuja a la zona interna lo mismo que la interna empuja a la externa (3º pr. dinámico),de manera que la zona externa explosiona o se expande al exterior mientras que la zona interna implosiona o se contrae aún más hacia el interior. Consecuencias posteriores: La zona externa formará una nube de materiales (se denomina nebulosa planetaria porque será la cuna de nuevos planetas y estrellas) que se esparcen por el espacio y la zona interna formará una nueva estrella mucho más pequeña que la anterior, más contraída y según su masa y el alcance de dicha contracción puede originar diversos tipos de estrellas residuales : Pueden formar estrellas blancas, estrellas de neutrones e incluso estrellas negras o agujeros negros estelares. De forma paralela pero con una masa gigantescamente superior tenemos la formación de galaxias con la correspondiente explosión hipernova, para formar externamente, los brazos espirales de dichas galaxias e internamente agujeros negros masivos en el corazón de tal galaxia. Por último, el ejemplo más impresionante es el origen del Universo o Big Bang según su modelo de punto singular de Lemaître o el modelo que se expondrá más delante de explosión-implosión de una superficie esférica de bosones. En el caso de la singularidad puntual, se supone que toda la masa-energía del Universo está concentrada en un punto físico como una partícula física que contuviera todo el Universo (aunque la máxima energía posible contenible en un punto o partícula límite de Planck, establece tal límite, en contradicción con esta imagen del origen del Universo, véase escala de energías por partícula de Planck).La explosión correspondiente no tiene parte implosiva sino que todo el Universo explosiona. Esta explosión no es instantánea .Si lo fuera, tendríamos una superficie hipercontraída de materiales que se expande desde una densidad prácticamente infinita hacia densidades cada vez menores siendo el Universo más que una distribución tridimensional, una superficie esférica expansiva, localmente bidimensional ,cosa que no pertenece a la realidad física. Si en el modelo de Lemaître, va saliendo materia y energía desde el centro, para rellenarlo todo en un tiempo , este debe ser muy prolongado (parecería que el Universo va saliendo de un agujero desde otro Universo origen). Esa concentración de todo en un punto, contradice la naturaleza de las interacciones que deben actuar y ,como se va sospechando, las leyes físicas son distintas ,o bien, esto es un caos más que un cosmos. Si todo estuviera confinado en ese espacio, las fuerzas nucleares no permitirían la expansión de la materia ni el desacoplamiento de la radiación. Además, la antimateria no tiene lugar en este modelo ya que la aniquilación de partículas y antipartículas que se puedan producir en el punto de origen sería automática, no habiendo ni una ni otra (parece todo muy contradictorio). En el modelo de esfera de bosones, la superficie esférica de bosones se materializaría en sus dos caras ,en dos hemisuperficies que brotan de la superficie de bosones original, una de antimateria que se implosionaría hacia el centro del Universo (centro de esa protosuperficie esférica) y otra de materia que explosionaría hacia los exteriores del Universo radialmente. Esta explosión-implosión separa la materia de la antimateria y ,microscópicamente, el bosón se separa en una antipartícula que, inicialmente, viaja radialmente hacia el centro universal, y en una partícula que huye del centro hacia las afueras radialmente. Se trata de una micro implosión-explosión por pares de partículas material y antimaterial , que aprovecha la energía original del bosón original para separarse electromagnéticamente , adquirir masa interna y , además, energía cinética de movimiento y energía potencial interactiva gravitatoria y electromagnética.
En el presente capítulo º10 se desarrollan algunos puntos sobre relatividad y concretamente sobre la frecuencia de ondas electromagnéticas (como la luz) detectadas desde fuentes en movimiento fenómeno denominado “efecto Doppler relativista”. La expresión que resume esta ley relativista es f=fo(1-V/C)/Raiz (1-V2/C2) . El detalle que voy a exponer es el siguiente:¿Qué ocurriría con estrellas o galaxias fuentes que se alejan de la Tierra a velocidades próximo a V=C?. Si sustituimos V=C, resulta f=0/0 una indeterminación matemática, pero al resolverse por regla de L´Hopital, resulta que tenemos f=0 Hz. Es decir, para galaxias y sus estrellas que se alejen a V=C, no nos enviaría luz.Pero como físicamente, la materia no puede alejarse de la materia a V=C, todas las estrellas del Universo nunca nos envía f=0, sino siempre nos enviará algo de luz, aunque atenuada por la distancia y por la frecuencia desplazada a cero. Esto tiene como consecuencia que no tiene sentido la hipótesis de que al alejarse las galaxias “se desgarrará el espacio-tiempo”.,no tiene fundamento físico. 5 agosto-17, FSB
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