CAPÍTULO 2 (1ª parte) - 2.La Tangibilidad del Universo : La Materia y la Radiación.
2.1.El cuanto físico tangible : La partícula física fundamental.
a)Interior, frontera y exterior de una partícula fundamental (potencial y campo).- Simetría espacial: Esfericidad.
- Simetría temporal : Estabilidad.
Tanto la materia como la radiación se extienden por el espacio en modo discreto o cuántico de manera que el espacio está poblado de puntos con contenido energético y másico rodeados de una zona vacía formada por puntos potenciales sin existencia física (sin masa ni energía) y sin capacidad interactiva, por tanto, sin presencia física: Los puntos del vacío. Los puntos del espacio dotados de masa-energía ( e incluso de carga eléctrica) se extienden por la mínima extensión física cuyo intervalo se denomina “distancia de Planck” en simetría esférica configurando un universo propio que tiene la siguiente estructura:
+El interior o zona dentro de la superficie esférica frontera cuyos puntos están más próximo de lo que físicamente puede distinguirse por lo que se trata de una zona uniforme (como veremos, en su interior existe un campo de potenciales interactivo uniforme). Ante tal extensión indistinguible, no existen campos interactivos internos siendo por tanto los campos gravitatorios electromagnéticos y todos los demás, aportados por la propia partícula, nulos.
Figura nº 5
En la figura nº 5 se visualiza la estructura que adquiere el Universo respecto a una sola partícula fundamental : Estructura partícula-campo y demostración de los campos en su interior (modelo de la pompa de jabón).
+El exterior o zona fuera de la superficie esférica frontera se extiende el espacio infinito donde tal partícula muestra su presencia a través de los campos interactivos tratándose de una extensión infinita de la propia partícula. Sus campos externos dependen de sus dos propiedades intrínsecas (masa y carga) y de la distancia, como ya se verá en el capítulo de interacciones.
+La frontera que separa el interior del exterior es una microsuperficie esférica donde se ubica geométricamente la masa , energía y carga internas de la partícula. Tal distribución es uniforme dado el carácter escalar e isótropo de dichas propiedades y, por ende, simétricamente y radialmente equivalentes hacia el espacio externo. Al generarse una partícula en el espacio, este queda dividido en : “Su interior” donde nada sale ni entra(impenetrabilidad , indistinguibilidad y puntualidad) y es uniforme espacialmente en potencial interactivo (la frontera y el interior forman un punto físico equipotencial sin distinción interna, como corresponde a una partícula fundamental) con campo vectorial interactivo nulo(el propio campo de la partícula en su interior es cero no autointeraccionando consigo mismo) ;y en “el exterior”, donde se desarrolla el campo de la partícula para afectar interactivamente a las demás partículas .También tenemos a la frontera donde se ubican las propiedades de la partícula elemental que la identifica como tal. Así pues, la partícula física tiene una región interna denominada “región de partícula”(ausencia de campo) y una región externa denominada “campo de la partícula” (ausencia de la propia partícula) con la superficie frontera común . Las fuerzas interactivas de la propia partícula no operan en su interior y sí en el exterior sobre las demás partículas .En la propia frontera, existe una fuerza especial “de Pauli” puntual sin extensión ni campo que impide la intersección de partículas (preserva la identidad física que significa que no es posible que dos partículas estén en el mismo punto y tiempo).
Este criterio es estricto en las partículas materiales o fermiones que poseen energía/masa/carga internas pero en las partículas bosónicas o radiantes que no poseen tales valores internos su colisión se produce bajo el fenómeno de la superposición o suma energética (dos bosones que coinciden en un punto forman un bosón instantáneo suma de ambos y luego siguen sus caminos sin alterarse). Las partículas elementales tienen simetría espacial radial o esférica fruto de una ubicación esférica puntual mínima cuyas propiedades se distribuyen uniformemente por dicha
superficie frontera y una influencia radial isótropa hacia el exterior sobre el resto de las partículas del Universo . Sin embargo, dichas partículas desde el punto de vista temporal pueden ser estables o inestables cambiando al cabo de un tiempo limitado o permaneciendo eternamente constantes (en masa , energía interna y en carga eléctrica). El espectro másico-energético de los puntos físicos para los fermiones nos muestran que la “estabilidad” (tendencia a no cambiar internamente) de las partículas está cuantizada, es decir, las leyes de estructura física establecen unos valores de masas/energía internas previamente estables .
Figura nº 6
Cualquier otra masa/energía acumulada en el punto físico para las partículas fermiónicas constituyen partículas que tratarán de cambiar siguiendo una estela de transformaciones hasta desembocar en las partículas estables. Estas transformaciones son bien conocidas en la Física de partículas donde un rosario de distintas partículas de mayor masa (hiperones) y medias masas (mesones) se desintegran en neutrinos estables (con masas estables cuantificadas y diversidad de energías cinéticas) y partículas más ligeras pero ya más estables o estables permanentemente también de masas cuantificadas (electrones y protones y sus antipartículas). En el Universo físico, el punto físico tiene un interior físicamente indistinguible con dimensiones físicamente indetectables, cuyo radio corresponde a la distancia mínima de Planck. Además, el interior tiene la propiedad de que los campos que generan las propias partículas (gravitatorio y electronuclear) son nulos de manera que una partícula no produce una autointeracción, no se afecta a sí misma con una autofuerza porque su campo interior debido a ella misma es nulo (la partícula puede estar afectada por otra partícula distinta porque esta partícula genera en el interior de la primera un campo cuya interacción se hace real con una fuerza). Toda partícula tiene un campo interactivo en el exterior de la misma a partir de su frontera y hacia el infinito (gravitación y electromagnetismo ) o hacia la máxima distancia de confinamiento nuclear de las interacciones nucleares pero de frontera hacia adentro es nulo. El campo de potenciales energéticos en su interior es , consecuentemente, constante , dando lugar a la mencionada uniformidad interna en la energía y la indistinción del interior de las partículas elementales ,propia de una auténtica partícula puntual y fundamental. La partícula fundamental tiene simetría espacial esférica (mismas propiedades en todas direcciones o isotropía) y simetría temporal (estabilidad, presenta el mismo estado en todo tiempo).
b) La partícula no fundamental : Partículas compuestas y partículas inestables. Criterio de simplicidad/composición y de estabilidad/inestabilidad de las partículas físicas.
Una partícula es fundamental cuando no tiene estructura espacial interna ni cambia interiormente. Si tiene estructura interna está formada por, al menos, dos partículas internas que ocupan dos puntos físicos distintos (la interacción de Pauli no permite otra situación)a una distancia mínima de Planck y se denomina “partícula compuesta”. Ejemplos de partículas compuestas son los neutrones, los núcleos atómicos, los átomos, las moléculas, etc. Estos agregados materiales dan sentido físico a lo que denominamos “longitud “ o distancia unidimensional entre dos puntos, “área” o superficie plana entre tres puntos y “volumen” o cantidad de espacio tridimensional (las partículas fundamentales tienen dimensión cero tanto espacial como temporalmente). Las partículas compuestas por otras partículas no son partículas fundamentales porque espacialmente se distinguen partes distintas con posibilidad de cambiar espacialmente. Si se trata de una sola partícula cuyos valores internos de masa-energía no corresponden a las preestablecidas como estables (tabla de partículas fundamentales estables, modelo estándar de partículas) entonces dicha partícula es “inestable” y evolucionará cambiando a masas-energías internas más cercanas a las estables o a las mismísimas estables (en tal descomposición se generarán varias partículas que se dispersan en el espacio llevándose energía-masa y cantidad de movimiento) produciendo partículas neutras ligeras denominadas “neutrinos” y una nueva partícula más estable que conserva el signo de la carga eléctrica .Este tipo de partícula puntual o elemental inestable suele tener tiempos de desintegración excelentemente breves y más breve aún si la energía expelida es más alta. El tiempo que tarda una partícula en desintegrarse en sus partículas finales es una indeterminación cuántica ( al igual que la dirección en la que se dirigirán las partículas finales en el espacio) y, estadísticamente, atendiendo a grandes cantidades de partículas en descomposición, la desintegración se realiza en todas direcciones radial y uniformemente en el espacio y ,en el tiempo, se produce una regularidad en cuanto a que cada cierto tiempo denominado periodo de semidesintegración ,la población de partículas se reduce a la mitad, fenómeno similar a la desintegración radiactiva (ley de Rutherford). Tenemos, pues, una simetría espacial (distribución estadística radial debido a la equivalencia de las direcciones en el espacio o isotropía) y una simetría temporal (regularidad estadística en la desintegración de una población No en su mitad No/2 o periodo de semidesintegración).
Las partículas inestables constituyen entes con masa y energía concentradas en un punto y debido al exceso de concentración superior a la estabilidad, la ley de distribución permite la dispersión de esa masa y energía lo más rápidamente posible (tiempo mínimo) y desde el punto de partida más pequeño (la propia partícula elemental puntual), descomponiéndose la partícula original en varias partículas de gran velocidad hacia las direcciones radiales, aunque sin violar los principios de conservación de la masa-energía internas (cantidad) , la cantidad de movimiento (dispersión) y las transformaciones de las formas de energía ( energía inercial total en energías inerciales totales dispersadas en el espacio, en un momento del tiempo). El “criterio de estabilidad” de una partícula puntual está determinado simplemente por tener o no tener sus masas/energías de reposo (o propias o internas ) iguales a las preestablecidas por ley o principio físico en el protón, el electrón o los tres neutrinos (y sus antipartículas) para los fermiones o partículas materiales ; para los bosones, su único valor constante es la velocidad universal C siendo su masa en reposo cero (solamente existen en pleno vuelo a V=C, con diversidad de masas de movimiento siendo estables mientras no interaccionen con la materia tanto gravitatoriamente o efecto Einstein gravitatorio sobre los fotones ,como electromagnéticamente o absorción/emisión de fotones en pares de cargas) y sin interacciones; tales bosones son denominados “fotones libres”. Los bosones cuasiinstantáneos confinados en las interacciones nucleares tienen cierta estabilidad cíclica de absorción/emisión dentro del núcleo atómico y los bosones más inestables son los bosones creadores de partículas como ya se verán. A las anteriores condiciones de estabilidad hay que añadir el fenómeno que cierra toda la fenomenología cuántica de las partículas : Los fermiones opuestos(partícula material y partícula antimaterial con idéntica masa y carga eléctrica pero signo opuesto) pueden aniquilarse y dar bosones y los bosones pueden materializarse en fermiones opuestos. Esta es la situación extrema y especial donde ni siquiera fermiones y bosones libres serían estables. Finalmente añadir que la medida del grado de estabilidad de un fermiòn se determina por el tiempo de desintegración: Cuanto menos tarde en desintegrarse en otras partículas , más inestable es y corresponde a partículas con mayor contenido energético interno (hiperones másicos).Los fermiones absolutamente estables con tiempo infinito son los electrones/positrones, los protones/antiprotones y los neutrinos diversos.
c)Propiedades fundamentales de las partículas fundamentales (dimensiones 2ª y 3ª).
Los entes físicos que construyen la esencia física del Universo son el espacio-tiempo, la materia-radiación y las fuerzas-energías. Desde el punto de vista de la determinación numérica de los valores que las definen, se dice que el Universo tiene diversas “dimensiones” o valores básicos independientes que cuantifican el estado de una partícula, de una parte del Universo o el Universo en su conjunto. En la forma más elemental atenderemos a las partículas físicas. Toda partícula física posee 6 valores elementales independientes denominados “dimensiones” y son : Las dimensiones espaciotemporales ( 3+1 dimensiones, son las dimensiones 4º,5º y 6º, más la 1º) que ubican a la partícula respondiendo a la pregunta doble del ¿Dónde, cuándo está? , las dimensiones que otorgan a la partícula de existencia física, es decir, la masa (en su doble versión de inercial y gravitatoria, es la dimensión 2ª) y la carga eléctrica (en su versión positiva y en negativa, es la dimensión 3ª). El lado interactivo de las partículas como la fuerza y la energía es derivado de la existencia de las mismas (por su carga y masa) y de sus campos interactivos en el espacio y en el tiempo. Como muestra la Figura nº 8, las partículas físicas tienen dos propiedades internas :
-La masa .-Es una propiedad cuantitativa que da “existencia” a las mismas (en sí misma, independiente de las demás ,por la cual es afectada por las demás, denominada “masa en su versión de masa inercial de reposo”) y da” presencia” frente al resto del Universo (al cual afecta a todas las demás y es afectada, denominada “masa en su versión de masa gravitatoria”). Aunque son dos aspectos de la cuantificación de las partículas materiales el “Principio de equivalencia” establece la equivalencia cuantitativa entre ambas (Einstein).
Figura nº 8
Para partículas,esta propiedad fundamental posee tres valores estables con un único signo (positivo) : Masa nula (bosón, o cuasinula, el neutrino electrónico, ambas neutras) , masa menor (el electrón y el positrón, para partículas cargadas y el neutrino muónico para partícula neutra ) y la masa mayor (protón, antiprotón, para partículas cargadas y el neutrino tauónico para partícula neutra). Las partículas de mayor masa (casi 2000 veces la de las menores masas) constituyen la base de la estructura de la materia , las de menor masa conducen los cambios (y enlaces) y, las restantes neutras, dispersan materia y energía en situaciones de alta concentración. En los sistemas materiales la masa es acumulativa así como los potenciales, energías potenciales, campos y fuerzas gravitatorias que generan (aunque aquí son de carácter vectorial).La masa interna o propia es absoluta pues su valor se mide estando la partícula en reposo (la misma para todo sistema de referencia),pero la medida externa, medida en pleno vuelo, está ligada a la velocidad en la masa relativista de Einstein M=Mo/Raiz(1-V2/C2).
- La carga eléctrica.-Es una propiedad cualitativa-cuantitativa que da signatura a la materia que es clave en las interacciones electromagnéticas (hace partícipe a las partículas con carga de atracciones y repulsiones intensísimas). Esta propiedad fundamental posee características complementarias a la masa pues posee tres signos (nulo, negativo y positivo) y un solo valor cuantitativo (Qo= carga del electrón o del protón).En los sistemas materiales la carga es efectiva o balance de signos opuestos al igual que los potenciales, energías potenciales, campos y fuerzas que generan (y estos, además, vectoriales).La carga eléctrica es una signatura de la masa, como se verá, y genera interacciones electromagnéticas (estáticas y magnéticas) siendo la causa de la presencia de la materia electromagnética o cargada frente a ella misma. La carga, al ser un conteo efectivo de partículas de uno u otro signo, no depende de la velocidad (de ningún sistema de referencia) por lo que es absoluta. Cuando un cuerpo dotado de partículas positivas y negativas adquiere mayores velocidades, la medida de la masa depende de dicha velocidad según Einstein (aumenta la velocidad de cada partícula y así mismo de sus masas y de la masa total), pero el nº de partículas tanto positivas como negativas no cambian, no cambiando el signo del conjunto ni su carga total, es absoluta.
c.1.)La masa como medida del grado de existencia y presencia física de una partícula.
-La masa / energía propia o intrínseca de una partícula: Cuantificación de la masa y las masas estables (constantes físicas).Consecuencia. Es la 2ª dimensión física.
La masa es una medida cuantitativa del grado de existencia física de una partícula o un sistema de partículas. La masa es un valor (dimensión 2º) cuantitativo que se encuentra en todas las partículas físicas y depende tanto de un contenido interno en la partícula ( ya sea un contenido estable o inestable y por lo tanto de valor definitivo, provisional o instantáneo)como de un contenido relativo de valoración externa dependiente de su estado de movimiento ( enmarcado en el espacio-tiempo, por la velocidad, denominada masa relativista de Einstein) y de las energías potenciales externas (del espacio, con contenidos energéticos positivos o negativos). La relación entre la energía como capacidad interactiva o presencial y la masa como grado de existencia , es una constante universal ( en el espacio y en el tiempo) , descubierta por Einstein E/m= C2, de manera que podemos decir que el espacio-tiempo tiene un campo uniforme y constante de fondo que en cada punto vale V=E/m=C2 , que otorga a cada kilogramo de masa efectiva (sea positiva o negativa) una energía de 9 x 10 exp16 julios. Este campo de “potenciales inerciales” tiene campo vectorial nulo por lo que esta propiedad potencial del espacio es absolutamente isótropa y sin fuentes ni simas. Cuando nos preguntemos donde o cuando se encuentra la energía en una parte del Universo debemos recordar dos fundamentos físicos : La energía es la capacidad o poder físico que poseen las partículas materiales o radiativas (fermiones o bosones) situadas en una posición del espacio y en un momento del tiempo que les da carácter “existencial en forma individual ” y de carácter “presencial de una partícula frente a las demás”. La energía es una medida del grado de presencia que tiene un ente tangible como la materia o la radiación, frente al resto del Universo tangible. Una partícula en solitario que posee masa interna con su correspondiente energía interna Eo=MoC2 , solo tiene carácter de existencia (el único residuo solitario o individual de energía que posee es la energía interna de la partícula derivada directamente de su masa inercial, denominándose “energía inercial de reposo o interna”). Si aparece otra partícula bajo las relaciones de la interacción ambas adquieren energías externas y se influyen mutuamente :Ahora el Universo tendría dos partículas codependientes e interrelacionadas donde tiene sentido la Unicidad del mismo, la ubicación en el espacio-tiempo y la interaccionabilidad (la energía solamente tiene sentido cuando tenemos dos partículas ya que es fruto de la interinfluencia entre dos partículas , ya sean energías cinéticas o potenciales interactivas).Respecto a la tangibilidad, el contenido de la partícula se ubica en la frontera puntual del punto físico donde se encuentra y dicho contenido puede adquirir muchos valores posibles, desde cero para el punto vacío, hasta altos valores para partículas muy másicas/energéticas (el límite superior de masa y energía en un solo punto físico se denomina “energía de Planck”). La realidad nos muestra que no disponemos de un espectro de partículas continuo sino solamente muy pocas partículas con poca masa de reposo que se mantienen estables con el tiempo para las partículas fermiónicas (pero en el espacio-tiempo pueden adquirir velocidades continuas desde 0 a “C”). Contrariamente, las partículas bosónicas (fotones) tienen un espectro continuo de valores de la masa pero una única velocidad común estable “C” para todas. Por lo visto, la materia se estructura de cuantos materiales discretos pero con valores estables básicos discretos y la radiación se propaga con cuantos discretos pero con un espectro continuo de masas (el espectro electromagnético y más allá).Sin embargo, las partículas fermiónicas al adquirir velocidades o al establecer interacciones, toman valores continuos de la energía y de la masa efectiva(relativista o de interacción).
Las masas que cuantifican los fermiones (masas propias a velocidad cero y ausencia de interacciones externas) son las siguientes (son constante cuánticas universales) : Masa del neutrino electrónico, del muónico y del tauónico; masa del electrón/positrón y masa del protón/antiprotón ( estas partículas no pueden superar la velocidad de la luz pero existen en reposo). Para los bosones, tenemos un espectro continuo de masas/energías pero con una constante común ya que si E/m=C2 y E= hf … tenemos pues que m/f = h/C2 , la relación entre el contenido en masa del bosón y la frecuencia característica del mismo es una constante universal, para todos los bosones.
-Las dos caras de la masa : Inercia y gravitación (2º Principio de la Teoría de la Relatividad General de Einstein o principio de equivalencia). Unificación de las fuerzas (y campos) inerciales con las gravitacionales.
La partícula se caracteriza cuantitativamente por su masa que le confiere existencia física de tal manera que un campo gravitatorio o electromagnético existente en el punto espacial donde se encuentre (con origen o fuente en el resto del Universo) le confiere en el marco espacio - tiempo una aceleración correspondiente modelada por la masa inercial de dicha partícula (todo el Universo influye sobre la partícula, según dicha masa inercial) e, inversamente, dicha partícula influye en todo el resto del Universo (una partícula hacia todo el Universo, según la masa gravitatoria y su carga eléctrica). En principio, se tenían tres propiedades fundamentales pero, la naturaleza nos mostró una pequeña unificación :La masa inercial, la masa gravitatoria y la carga eléctrica, se simplificaron en masa y carga eléctrica (la masa inercial y la gravitatoria como dos aspectos complementarios de la masa tenían un único valor, Pr. de equivalencia de Einstein).
Figura nº 9.
En un movimiento donde actúan fuerzas gravitatorias y electromagnéticas la aceleración es :
Ft = M g + q( E + VxB) = mi a .
La aceleración o respuesta cinemática de la partícula es : a = ( M/mi ) g + ( q/mi) (E + VxB) . Si eliminamos en un experimento las fuerzas electromagnéticas (utilizando un cuerpo neutro o evitando fuentes electromagnéticas locales como las fuerzas de rozamiento o normales de contacto, o globales eliminando campos EM), podemos visualizar la relación entre los dos aspectos de la masa: la masa inercial (todo el Universo afecta a una parte) y la masa gravitatoria (una parte del Universo afecta al resto). En una campana de vacío sin campos electromagnéticos , abandonamos cuerpos con distintas masas y se observa que todos caen con la misma aceleración independientemente de las características de masa y carga de los mismos. Para ello, la masa inercial y la masa gravitatoria deben ser proporcionales con proporcionalidad universal M/mi = cte universal, o bien, como nos expuso Einstein, simplemente son iguales M=mi , contenido denominado “Principio de equivalencia entre la masa inercial y gravitatoria” (2º principio de la relatividad general de Einstein). Este sencillo contenido tiene un enorme alcance en Física pues tal equivalencia permite que todo ente físico que posea masa (ya sea masa de reposo, masa en movimiento o masa negativa por energía potencial interna negativa) , tiene a su vez masa gravitatoria equivalente pudiendo tener también efectos gravitatorios (masas en movimiento o relativistas aumentan su atracción sobre los demás y ser atraídas mayormente por los demás ; radiación con contenido másico de movimiento, es atraída por los demás y viceversa ; sistemas de partículas unidas por enlaces con energías potenciales de atracción negativas, tiene un contenido másico negativo de tal manera que provoca atenuación gravitatoria por atenuación de la masa, lo que puede denominarse “antigravedad” y “defecto de masa” en sistemas materiales). Si logramos un sistema físico donde la energía interna atractiva y negativa sea superior a la energía inercial de reposo y de movimiento positivas, lograremos un efecto antigravitatorio . Otra consecuencia de la equivalencia ( y también de la proporcionalidad entre la masa inercial y la gravitatoria), es que podemos unificar la gravedad y la inercia. Un cuerpo rodeado de masas está situado en un punto con un campo gravitatorio “g”. Si las medidas de su aceleración se realiza en un sistema de referencia acelerado, de aceleración “a”, la fuerza medida en tal sistema es : Ft = M g – mi a , por el pr. Equivalencia,M=mi, por lo que, Ft = M( g – a ) , logrando expresar la fuerza total como una propiedad conjunta (M, masa, a secas) y un campo conjunto “campo gravito-inercial “ Cgi = g – a consiguiendo la unificación de los campos de interacción gravitatorio con los campos de aceleración relativos de inercia .Dicha unificación se expresa de la siguiente manera: Ft=M Cgi , una única fuerza conjunta, una única propiedad conjunta del cuerpo y un único campo conjunto Cgi .
- La masa/energía en el espacio-tiempo (Relatividad).
La masa es el aspecto del ente físico, materia o radiación, que le da existencia a los mismos a su vez que la energía le da presencia física frente a los demás. Son dos aspectos complementarios que a su vez son proporcionales de manera que E/M =C2, definiendo a esta relación o cociente como el “potencial inercial del espacio-tiempo” significando que en la tetradimensión espacio-tiempo, cada kilogramo de masa tiene un equivalente energético inercial (esté en reposo o en movimiento, esté libre o bajo interacciones atractivas o repulsivas, signo) de V= C2 = 9 exp16 julios/kg . Esta relación es independiente del lugar del espacio ( es uniforme o universal),independiente del sistema de referencia y del momento en el tiempo (es constante). Se puede decir, que el espacio tiene un potencial de fondo que es uniforme que confiere a toda partícula situada en él una energía por unidad de masa dada anteriormente. No obstante, para la partícula situada en ese punto físico, la energía que posea y su masa equivalente anterior, puede tener diversos orígenes : La energía derivada de la masa intrínseca (masa de reposo) de las partículas materiales (fermiones) se denomina energía inercial intrínseca, que es independiente del exterior y es un valor absoluto para todos los sistemas de referencia dado por Eo=Mo c2. Para las partículas radiativas o bosones esta energía es nula porque su naturaleza es no existir en reposo por lo que no tienen masa de reposo. Contrariamente, los bosones solamente tienen energía cinética de movimiento a la máxima velocidad natural(los bosones poseen energía inercial cinética pura).La masa intrínseca de una partícula material es la masa medida cuando se encuentra en reposo respecto a un sistema de referencia, de valor universal e independiente del sistema donde se mida siempre que se esté en reposo. Si tratamos de medir la masa cuando está en movimiento respecto a nosotros o, simplemente, la masa de la partícula móvil, la masa depende de dicha velocidad y se dice que esa masa, medida externamente en un sistema de referencia, es “relativa” y su expresión, dada por Albert Einstein es M = Mo/Raiz (1-V2/c2) , donde Mo es la masa inercial universal de reposo y “V” es la velocidad respecto a un Sist. Referencia. Para partículas radiativas, la masa interna es nula así como su velocidad es V=C . Si utilizamos la expresión anterior para bosones, queda una indeterminación M= 0/0 . No obstante, utilizaremos la expresión de la energía para todos los casos en la naturaleza , ecuación de Einstein , teniendo que la energía inercial de una partícula es la suma de la energía cinética más la energía interna de reposo : Ei = Ec + Eo , donde E = M c2 , energía inercial en función de la masa inercial de movimiento ; Eo= M0 c2 , es la energía intrínseca . tenemos pues, M c2 = Ec + Mo c2 así Ec =( M – Mo ) c2 . Un bosón o partícula de radiación al no existir en reposo, toda su energía inercial se basa en el término de movimiento exclusivamente, es decir, posee energía cinética pura que es el verdadero contenido de los bosones libres o fotones. Esta afirmación se extienden a los bosones electronucleares fuerte(gluones) y electrodébil (debilones). Como Mo=0 , queda que la energía de las partículas de radiación es E= M c2 . Esa masa no es masa material sino masa equivalente a la energía cinética pura de estas partículas tan especiales (de interacción o bosones gauge ) que viajan solamente a la velocidad “c”. Al igual que los fermiones, su masa en movimiento también es relativa . En los fotones, la masa de los mismos, su energía, su frecuencia y longitud de ondas son relativas. La distinta medida de estos valores en distintos sistemas de referencias con cierta velocidad relativa da lugar al denominado “efecto Doppler” . Si , además, los sistemas de referencias están acelerados , o bien, la luz está cruzando un campo gravitatorio ( que debe ser más o menos intenso para notarse su efecto), los valores anteriores también sufren variaciones relativistas conociéndose con el nombre de “efecto Einstein gravito - inercial ”. Recuérdese que E = M c2 y en fotones, E=h f = h c/l Al estar la energía cinética, tanto de fermiones como de bosones, ligada al espacio-tiempo, sus medidas son relativas pero en fermiones, la masa intrínseca es absoluta lo mismo que lo es la velocidad en los bosones. La velocidad en los fermiones es relativa y la masa en los bosones también lo es. Vemos una vez más la complementariedad de estos dos entes tangibles que pueblan el Universo. En todos los casos, las energías inerciales tanto de reposo o de movimiento o cinética, de fermiones o de bosones, son energías positivas de manera que la masa que representan son también positivas.
- La masa/energía en un campo interactivo (signos).
Las partículas físicas tienen masa-energía inerciales lo que le da existencia en el espacio-tiempo. Como las partículas también poseen relaciones entre ellas gracias al aspecto interactivo de la esencia física, también poseen energía debido a los campos interactivos de las restantes partículas y viceversa , energías denominadas “energías potenciales interactivas”. Una partícula ( en su exterior o campo de la partícula) extiende por todo el espacio una influencia que dota de energía a las demás partículas (inversamente, los campos de las demás partículas dotan de energía a la primera). Como sabemos, los campos y las energías potenciales naturales son las siguientes: La energía potencial gravitatoria, la energía potencial electrostática y las energías nucleares ( fuerte y débil ). Las energías potenciales gravitatorias son de signo negativo como corresponde a una interacción atractiva al igual que las energías potenciales electrostáticas atractivas y las energías potenciales fuerte. Consecuentemente, las masas que representan son masas negativas dado que E/M=c2 que supone que la energía y su masa correspondiente son del mismo signo. Una consecuencia de las masas negativas es que en un sistema de partículas formado por las masas inerciales positivas de sus partículas( evidentemente) y por fuerzas atractivas de unión con sus energías potenciales negativas entre ellas para formar dicho sistema más o menos compacto, la energía global del sistema es un tanto menor que si las partículas estuvieran separadas sin interaccionar o libres: A tal diferencia se la denomina “defecto de masas “ que trataremos en el siguiente punto. Existen otras interacciones que son repulsivas (repulsión electrostática y repulsión débil) que poseen energías potenciales positivas cuyo contenido correspondiente en masa es así mismo positivo. En la interacción electrofuerte la interacción fuerte debe ser más negativa que la positiva energía de repulsión electrostática entre protones para mantener el enlace nuclear interprotónico. Igualmente, en la interacción electro- débil protón-electrón dentro de un neutrón, la interacción electrostática debe ser más negativa que la positiva energía potencial débil. Otra consecuencia de la posibilidad de masas equivalentes negativas por interacciones atractivas con e. potenciales negativas, es que cuando un campo gravitatorio actúa sobre un sistema de partículas con masas de reposo unidas con interacciones atractivas y, por tanto, con una masa negativa añadida, al ser la masa efectiva menor resulta que el peso del sistema de partículas es menor ( es decir, que el peso de átomos de hierro separadamente es mayor que el peso del bloque de hierro conjunto al existir una energía de unión en dicho bloque y corresponde a una pequeña masa/energía negativa ).Una cuestión derivada de esta masa negativa que provoca una masa conjunta menor en el sistema de partículas unidas que en la del sistema de partículas independientes es si cabe la posibilidad de que la energía negativa de unión pueda ser mayor que la energía positiva de dichas partículas, produciéndose una masa efectiva nula o negativa para producirse el fenómeno de la “levitación gravitatoria” e incluso de la “antigravedad”.
- La masa/energía en una partícula y en un sistema de partículas.
Un sistema de partículas de 1º orden está constituido por la unión de protones y electrones (neutrón y núcleos atómicos) bajo las fuerzas electronucleares (interacciones confinadas de 2º orden ) ; en un sistema de partículas de 2º orden o átomos, los protones y electrones están unido bajo fuerzas electrostáticas ; y un sistema de partículas de 3º orden de moléculas y cristales, la unión se establece bajo fuerzas electrostáticas , dentro del mundo microscópico. En el mundo macroscópico de los cuerpos que nos rodean son las interacciones electrostáticas y gravitatorias las que gobiernas sus cambios mientras que en el ámbito astronómico reinan las interacciones gravitatorias con sus energías potenciales. Al nivel más pequeño de la naturaleza a la distancia de Planck actúa la interacción puntual e instantánea de Pauli, que no posee energías ni extensiones espaciales ni campos. En un sistema de partículas disponemos de las siguientes masas-energías : La masa y la energía intrínseca que se mide cuando el cuerpo está en reposo en cualquier sistema de referencia , las energías mecánicas que equivalen a la suma de la energía cinética y las energías potenciales interactivas debido a todas las interacciones de todos con todos y de todas las naturalezas (gravitatoria, electromagnética y nucleares fuerte y débil) . Vamos a proceder de la siguiente manera a la hora de formar un sistema material. Este procedimiento vale para todos los sistemas materiales, ya sean neutrones, núcleos, moléculas, cristales o cuerpos macroscópicos. En primer lugar, tenemos las partículas elementales componentes del sistema alejadas unas de otras formando un sistema disperso donde cada partícula tiene una energía de reposo Eoi y una energía mecánica Emi = Eci + Epi (Eci, energía cinética de la partícula i y una energía potencial de la partícula i debido a la interacción con todas las demás, y sea de las cuatro naturalezas interactivas, Epi = Ep(grav)i + Ep(elecmg)i + Ep(fuerte)i + Ep(débil)i y todo este espectro de energías en el estado inicial de partículas muy separadas. Cuando las partículas son lanzadas hacia un mismo centro para que se enlacen formando la estructura del sistema de partículas final, alcanzan la energía mecánica final idéntica en formulación a la inicial, pero con valores finales. En este estado final, que es el sistema de partículas, las propias partículas tienen de energía inerciales internas o de reposo precisamente Eoi, sin cambiar, pues no pierden identidad porque son valores intrínsecos independientes del espacio-tiempo exterior. La variación de energía del sistema desde el estado disperso al estado de sistema material, es precisamente la variación de energía mecánica : Ef-Eo = Emf-Emo = (Ecf-Eco) +(Egf-Ego ) + (Eef- Eeo ) +( Eff-Efo ) + (Edf –Edo) . En este balance no se incluye la energía intrínseca porque, como hemos dicho, las partículas se mantienen “internamente intactas” (sin aniquilación/materialización) siendo Eif-Eio= 0.Vamos a realizar algunas estimaciones. Si parten las partículas desde distancias muy separadas, las energías potenciales son prácticamente nulas porque las gravitatorias y eléctricas a gran distancia son energías prácticamente nulas .También las nucleares son nulas porque no operan fuera del intervalo de confinamiento y valen cero externamente. La e. gravitatoria es despreciable a estos niveles microscópicos . El balance queda de la forma : Emf –Emo = (Ecf-Eco) + Eef + Eff + Edf .En este balance, la variación de energía mecánica debe ser negativa para tener un sistema cerrado o enlazado (algo análogo pasa con los planetas atrapados en órbita alrededor del sol que poseen energía mecánica total negativa para formar un sistema cerrado ) y ,para ello, la siempre atractiva energía nuclear fuerte (negativa) junto a la eléctrica atractiva (protones-electrones neutronales o intranucleares) deben vencer a la repulsión de la energía eléctrica (entre protones y entre electrones nucleares ),energía débil y el balance de energía cinética en el proceso de formación del sistema de partículas, al ser todas estas positivas. Ejemplo: En el núcleo atómico, existe repulsión entre protones y entre electrones ( *modelo protón-electrón del neutrón) y atracción entre protones con electrones . En el caso del núcleo, si hubieran muchos más electrones que protones ( se traduce en muchos más neutrones que protones ) , la repulsión interelectrónica provocaría la expulsión de electrones nucleares (radiactividad beta) creciendo el nº protones y volviendo a un sistema más compensado y estable. Si hubieran más protones que electrones pasaría algo parecido , se expulsarían protones o partículas alfa , hasta compensarse hacia una mayor estabilidad. Como se verá en la dinámica nuclear, unos valores parecidos de protones y neutrones e incluso algún neutrón más ( que se traduce en más electrones nucleares que en su movimiento dinámico envolvente alrededor de los protones generan una buena compensación general del núcleo)forman núcleos más estables . La interacción débil positiva siempre se compensa con la atracción eléctrica dentro de cada neutrón instantáneo . Solo queda la energía cinética de las partículas dentro del sistema. Si queda mucha energía cinética, cabe la posibilidad de que la energía fuerte no sea suficiente para atrapar a la partícula en el núcleo por lo que el núcleo es altamente inestable y expulsa partículas demasiado energéticas o rápidas. Se puede producir radiactividad o bien fisiones. Aunque, en estos casos, ya sea con alta energía cinética, o altos valores positivos de las energías positivas, el sistema evacuará energía en poco tiempo y de forma puntual en forma de “partículas radiativas” como los fotones gamma (un descenso en la energía mecánica del sistema se evacua en forma de radiación de bosones como la radiactividad gamma), o bien, las energías ya se habían transformado en cinéticas de todo el sistema en conjunto (energías mecánicas del sistema) haciendo al sistema funcionar como una gran partícula compuesta con energía cinética ( al nivel de sistema de partículas, energías térmicas). En resumen, en la formación de un sistema de partículas , la variación de energía mecánica es negativa, y esta diferencia entre la energía mecánica del sistema (en estado disperso) y la energía mecánica del sistema concentrado o estructurado, se traduce en un “defecto de masa” que es una pérdida de energía mecánica del sistema en su formación, y esta variación se “ ha transformado en energía de radiación de manera que un fotón se lleva tal diferencia hacia el exterior (radiación) ,o bien, se queda en el propio sistema en forma de energía cinética general que se traduce en un sistema de partículas ( ejemplo, una muestra de material formada por millones de núcleos) en energía térmica. El defecto de masa y el defecto de energía mecánica se ha transformado en energía radiativa de evacuación rápida a velocidad C y en energía cinética de evacuación térmica mucho más lenta. En todo caso, se cumple el principio de conservación de la energía y el principio de dispersión de la misma en todas direcciones del espacio. *¿Es posible un sistema de partículas con masa efectiva total negativa con una consecuente antigravedad?
Un sistema de partículas consta de energías intrínsecas de todas sus partículas individuales dando como balance la energía inercial de reposo pura Eo = MoC2 que es positiva . Si incluimos la energía cinética interna del sistema (conocida en Termodinámica como energía térmica) , la expresión anterior se transforma por Relatividad en E= M C2 , donde M es la masa relativista que incluya la masa de reposo y la energía cinética conjuntamente. Como para constituir un edificio material, las partículas deben interaccionar en los tres niveles (neutrónica, nuclear,, atómica y molécula-cristal ) las interacciones son todas las estudiadas dando un balance negativo a su energía total . Esta energía negativa de interacción interna, nos aporta –Eint , y la energía total interna es : Et = MC2-Eint . Esta energía total efectiva se iguala a una “masa efectiva” por C2 : Et=MC2-Eint=Mefec C2 , tenemos, la masa efectiva : Mefec= M – Eint/C2 . Se cumple, como ya se sabe de la física nuclear, que al unirse las partículas para formar un sistema de partículas, se produce un defecto de masas que equivale a la energía de enlace de interacción interna entre C2. Defecto de masas = Mefec-M =-Eint/C2 En el proceso de formación del sistema de partículas, se ha desprendido esta misma cantidad de energía al exterior (en forma de fotones o en energías cinéticas de partículas materiales o térmicas). La masa de las partículas separadas (sin interacción para formar estructuras) es mayor que la masa efectiva del sistema de partículas unidas por interacciones de forma que existe una energía positiva que nos presenta una masa positiva y una energía de interacción de unión negativa que nos aporta una masa negativa, pero aún así el balance del signo de la energía/masa es positivo. Para conseguir altas energías potenciales negativas, debemos acercar todas las partículas hasta distancias tan pequeñas que disparen los valores negativos de sus energías potenciales negativas aunque esto también dispararía a las e. potenciales positivas.:¿Habrá un confinamiento tan reducido que la masa negativa iguale o supere a la positiva y logremos un sistema de masa negativa con los consecuentes efectos levitatorios o antigravitatorios?. En el centro de las estrellas de todo tipo, la naturaleza ha fabricado núcleos de todos los elementos pero el balance de masa/energía (inerciales e interactivos) siempre ha sido globalmente positivo obteniendo partículas y cuerpos de masa positiva. El caso ideal que tratamos necesita una inimaginable presión sobre los núcleos para comprimirlos más allá de las densidades nucleares naturales para crear tal energía negativa sobre la positiva , que cree cuerpos de masa efectiva negativa e invierta la gravedad. Solamente conocemos ambientes que tiente estas posibilidades y son los núcleos de superagujeros negros en el centro de las galaxias más masivas. Estas densidades materiales no pueden conseguirse con los sistemas materiales ordinario (o con la antimateria), ya que los protones/antiprotones de los núcleos/antinúcleos al ser comprimidos fuertemente aunque atraídos por la fuerza atractiva fuerte, a cortísimas distancias son repelidas por la clásica fuerza electromagnética manteniendo así el equilibrio de los núcleos. En el caso del colapso gravitatorio de la materia ordinaria (gas hidrogeno) transformándose en un sistema de neutrones (estrella de neutrones) los campos electromagnéticos se cancelan y los neutrones , por gravedad, alcanzan terribles densidades pero en este extremo ya no aparecería una energía eléctrica negativa que dé paso a una masa global negativa. Tan solamente la gravedad aportaría un fuerte signo negativo al balance energético aunque sabemos que esta interacción aporta 40 órdenes menos de intensidad que la electromagnética, por lo que sospecho que no encontraremos sistemas materiales con balance de energía/masa negativo pues siempre superará la energía positiva derivada de la masa corpuscular a la energía negativa de las interacciones enlazantes de los sistemas materiales.
c.2)La carga eléctrica (signo de la materia , es la 3ª dimensión).
- La carga eléctrica de una partícula fundamental, de una inestable y de una partícula compuesta o de un sistema de partículas. Cuantificación y signo.
Las partículas físicas tienen dos grandes propiedades fundamentales intrínsecas: La masa de reposo y la carga eléctrica. Mientras la primera nos mide el grado de existencia, en su versión inercial, y de presencia , según la influencia gravitatoria sobre los demás , la masa eléctrica o carga eléctrica da signo a la materia en sus versiones de positiva, negativa y neutra, siendo el origen de la interacción electromagnética complementando con una nueva modalidad de “presencia física”. Microscópicamente está cuantizada en las partículas estables : En el protón o en positrón, la carga es +Qo , en el electrón o en el antiprotón es –Qo y en los neutrinos y en bosones, la carga es 0 Qo . El valor Qo es el cuanto de carga universal y es independiente de todas las circunstancias físicas ( no depende de la velocidad ni de la aceleración en el espacio-tiempo ni depende de la interacción ) .Por ello, más que una propiedad física de la partícula que pueda variar en una u otra circunstancia, es una “signatura de la misma materia”. La carga es la propiedad auténticamente cuántica pues todo sistema físico tiene una carga global dada por Q = ( p – e ) Qo , siendo Qo el cuanto de carga que corresponde a una partícula puntual dotada de carga ya sea positiva o negativa. El nº “p” es el número de partículas puntuales positivas (positrones o protones) y el nº “e” es el número de partículas negativas (electrones o antiprotones) no contabilizándose los neutrinos ni los bosones por tener carga nula. Esta contabilización es muy simple derivado del hecho de que la carga eléctrica no está vinculada al espacio, al tiempo o a las interacciones. El valor de la carga eléctrica de un sistema de partículas ( un neutrón, un núcleo atómico, un átomo, una molécula, un cristal y un cuerpo macroscópico ) es una simple contabilización de partículas elementales. La carga eléctrica de un sistema de partículas nos da el nº de partículas de un signo que supera al nº de partículas del signo opuesto, en cuanto a partículas electromagnéticas. Los neutrinos y bosones quedan ocultos a tal contabilización. Así pues, el signo efectivo en un sistema material queda cuantitativa y cualitativamente determinado por : nº = Q/Qo = p – e .Este número entero indica el signo de la carga del sistema y la propia carga de carácter absolutamente discreto. La carga eléctrica constituye la 3 ª dimensión física siendo, además, una dimensión con valores positivos , negativos y nulo, discretizados (múltiplo entero exacto del cuanto elemental Qo). La propiedad de la carga es la base de la interacción electronuclear pues tanto las interacciones electrostáticas, magnéticas, fuerte y débil se realizan entre partículas con signo o carga (las partículas neutras como los neutrinos, los bosones y las partículas compuestas neutras desde el exterior, no son sensibles a estos campos pero los sistemas de partículas neutros sí tienen propiedades eléctricas locales a lo largo de dichos sistemas). En las fuerzas electrostáticas, las cargas de igual signo se repelen y las de distinto signo se atraen , mientras que en las interacciones nucleares ( débil y fuerte) pasa lo contrario : Para la interacción fuerte entre protones (misma carga ) se atraen y en la débil, entre protones y electrones ( distinta carga ) se repelen, aunque solamente dentro del recinto de la distancia de confinamiento nuclear de aproximadamente menos de 1 fermi. A las partículas neutras solamente les quedan las interacciones de 1º orden, de Pauli y gravitatoria. La carga eléctrica es la causa de esta interacción electronuclear. Como las fuerzas electromagnéticas tienen ámbito desde casi cero (en la frontera de la partícula fundamental) hasta infinito, nos encontramos que un sistema de partículas más o menos grande establece tales interacciones entre todas sus partículas de manera que la fuerza entre dos sistemas de partículas alejadas una cierta distancia “r” (entre sus centros “de carga”) con balances de cargas “Q1” y “Q2” , con una fuerza global de expresión similar a la Ley de Coulomb entre partículas , donde dichas cargas son el balance de cargas de cada sistema de partículas pudiendo adquirir infinitos valores discretizados por lo que este valor es una auténtica magnitud física “Q” cuántica y depende en modo “efectivo” (balance de puntos positivos y negativos) de la extensión del cuerpo . Contrariamente, las interacciones fuerte y débil son puntuales o cuánticas entre pares de protones y protón-electrón y debido a su confinamiento tan microscópico (ámbito de actuación entre par de protones dentro del núcleo y par protón-electrón dentro del neutrón) solamente actúa colectivamente entre un protón y algunos vecinos inmediatos dentro del núcleo y entre protón y electrón dentro del neutrón (tanto de un neutrón individual como uno integrado en un núcleo donde en realidad, los electrones circulan a modo de gas formando neutrones ocasionales o provisionales uniformando el carácter de neutrón o de protón dentro del núcleo; modelo de sopa de protones mezclada de gas de electrones con interacciones electronucleares para el núcleo atómico, como se verá). Las partículas con carga eléctrica que son inestables se desintegran rápidamente en otra partícula que conserva la misma signatura expulsando partículas neutras. En estos fenómenos cuánticos microscópicos, es la energía total la que sufre transformaciones interviniendo en esta ocasión la energía interna de manera que esa energía interna ubicada en la partícula se transforma en la energía interna de las partículas finales más energía cinética de las mismas (también podrían intervenir energías potenciales electronucleares e imperceptiblemente la gravitatoria). Estos procesos de transformación de unas partículas a otras cumplen los principios de conservación de la energía total , de la cantidad de movimiento instantáneamente y la conservación de nuestra propiedad ,la carga eléctrica, es decir, del signo de la materia. El cuadro más simple de desintegraciones cumple:
Partícula positiva (mayor energía-masa interna)………Partícula positiva(menor)+ Neutra Partícula negativa(mayor energía-masa interna)………….. Partícula negativa(menor)+Neutra Partícula neutra (mayor)…………………Partícula positiva( a V)+Partícula negativa(a V´)
Ejemplo, la materialización: Bosón creador ….Partícula (a V)+Antipartícula (a V) donde las tres primeras son asimétricas compensándose las masas distintas con velocidades distintas y la cuarta , la materialización, es simétrica. En todo caso, la signatura del sistema se conserva constituyendo el “principio de conservación de la carga eléctrica “ que se cumple tanto a niveles de partículas elementales como en reacciones nucleares, reacciones químicas y en toda fenomenología física a todos los niveles. En las reacciones nucleares ,los núcleos se transforman pero la carga se conserva como podemos ver en las leyes de Soddy-Fajans de la radiactividad o en las ecuaciones nucleares. Igualmente, en las reacciones químicas expresadas en las ecuaciones químicas comprobamos una vez más este importante principio de conservación siendo una ley universal e independiente de toda circunstancia . Como ejemplo importante, tenemos al mismo nacimiento del Universo donde al vacío se le asigna la carga “0” , y cuando se originan instantáneamente los bosones creadores iniciales , también de carga “0”,se pasa a la materialización en las partículas materiales y antimateriales (misma masa y carga pero signos opuestos) siguiéndose también el balance de “0” en toda la Historia natural del Universo.
- La carga eléctrica , su constancia en el tiempo, en el espacio y bajo interacciones.
Como se ha comentado, la carga eléctrica da signo a la materia constituyendo la 3ª dimensión física siendo una dimensión de tres signos y cuantificada en la carga elemental Qo. La partícula inestable no es una partícula fundamental pues aunque espacialmente ocupa un punto(punto físico con interior uniforme y radio de Planck mínimo distinguible), su contenido másico-energético no corresponde a los estados estables, por lo que sufre transformaciones (no sería constante en el tiempo, segunda condición necesario para ser una partícula fundamental) dividiéndose en dos partículas más estables con menores contenidos energéticos-másicos , mayor dispersión espacial y donde la carga global se conserva siguiendo el esquema señalado anteriormente. Hay dos maneras de interpretar las series de desintegraciones de dichas partículas inestables: O bien son partículas que se separan en dos con lo cual habría que revisar el concepto de partícula puntual elemental inestable(no sería entonces una partícula individual), o bien ,la partícula original está expulsando lo que le sobra “ másica-energéticamente” para alcanzar mayor estabilidad emitiendo partículas energéticas o bosones, o bien, la energía se materializa en partículas neutras que Pauli sugirió (y experimentalmente se comprobó) con el nombre de “neutrinos”. Debe decantarse del lado de la sugerencia de Pauli porque los bosones son partículas que surgen de la interacción cuántica entre dos cargas mientras que en esta desintegración, el protagonista inicial es una sola partícula : Esta partícula se descompone en un fermión con la misma carga y menos masa más otro fermión neutro (neutrino)con masa de reposo muy pequeña pero con cantidad de movimiento apreciable. La carga eléctrica no depende de velocidades pues es absoluta en todos los sistemas de referencia y solo es una signatura de la masa interna de las partículas. Las cargas eléctricas no dependen de interacciones fuera y dentro de un sistema de partículas aunque es una propiedad de la materia “efectiva” y “no acumulativa” (como la masa) , pudiéndonos encontrar (que es lo más común) sistemas materiales formados por multitudes de partículas cargadas y, sin embargo, externa y lejanamente se comportan como partículas neutras : Se dice que el cuerpo es neutro. Un sistema de partículas como un cuerpo neutro, es globalmente neutro y sus efectos de neutralidad eléctrica se manifiestan desde cierta distancia experimentándose la “independencia eléctrica” de unos cuerpos frente a otros . En la experiencia cotidiana observamos que unos cuerpos se sitúan próximos a otros y no se atraen ni se repelen, fruto de las leyes físicas : Eléctricamente no se afectan porque los cuerpos globalmente son neutros (a pesar de que las fuerzas eléctricas son intensísimas, globalmente se cancelan las atracciones-repulsiones) y gravitatoriamente apenas se afectan (porque las fuerzas gravitatorias para pequeños cuerpos son prácticamente nulas) .Sin embargo, los cuerpos neutros que se acerquen lo suficiente hasta “tocarse” (en realidad ,en los fundamentos físicos, no existe el tocarse sino el acercarse suficientemente hasta no poder acercarse más por la repulsión eléctrica interelectrónica local de un primero y un segundo cuerpo) manifiestan las fuerzas eléctricas locales en el punto de contacto de manera que las fuerzas repulsivas de las cortezas electrónicas negativas de los átomos, moléculas y cristales, impiden la interpenetración. La localidad de estas fuerzas repulsivas que impiden la interpenetración material consiste en que las capas electrónicas de las superficies de los cuerpos que se están “aparentemente tocando” (estrictamente son interacciones a distancia aunque muy cortas) se repelen con mayor fuerza que las atracciones que experimentan los núcleos con las cortezas en esta zona, provocando esta imposibilidad de mayor acercamiento y esta repulsión , fenómeno que se denomina “toque” que se traduce macroscópicamente en fuerzas normales de contacto y de rozamiento de contacto ( las presiones entre cuerpos sólidos o entre líquidos y gases, amén del impedimento mutuo para moverse libremente).La clave que posibilita que puedan repelerse las capas electrónicas de las cortezas atómicas sin que se vean compensadas o anuladas con las atracciones entre núcleos y tales cortezas, está en la estructura nuclear de los átomos : El átomo tiene una parte positiva muy pequeña en el núcleo y a “gran distancia” (factor de 10 000 veces entre núcleo y corteza) la cáscara negativa ; al acercarse dos átomos impera la repulsión superficial de sus cortezas negativas por mayor cercanía . Esta clave es a la vez consecuencia de la propia estructura fundamental de la naturaleza : El protón , al ser casi 2000 veces más másico que el electrón, constituye un núcleo casi estático central y los electrones giran a gran velocidad en la corteza, dando esta estructura fundamental nuclear que explica todo lo anterior. A medida que la masa protónica se igualara a la del electrón, tal igualdad provocaría átomos no nucleares, y la materia podría interpenetrarse mutuamente, dando lugar a mezclas homogéneas de materia sin cuerpos concretos independientes físicamente originando una realidad física totalmente distinta a la nuestra.
La carga eléctrica aparece en el Universo en el proceso elemental de la materialización de las partículas radiativas o bosones tanto en la fluctuación Universal original en el origen del Universo como en las colisiones brutales naturales (rayos cósmicos contra la atmósfera, interior de estrellas) o artificiales (los aceleradores de partículas).Desde la neutralidad de una partícula bosónica (fotón de altísima energía) surgen las dos partículas iguales en todos los valores pero opuestas en la carga (partícula y antipartícula). A partir de ahí, mientras no se vuelvan a encontrar dicho par (que se aniquilarían para reconstruir el fotón original) cada partícula conservará su signo material o carga eléctrica durante toda su existencia aunque pierda energía interna para transformarse en partículas más estables con menor energía, aunque viaje a cualquier otra parte del Universo sometida a campos gravitatorios o electromagnéticos de cualquier signo o intensidad y aunque varíe su masa relativista con dichas interacciones (aunque su masa interna siga también invariable una vez estable internamente).
c.3)Cuadro de las propiedades fundamentales de partículas y las partículas fundamentales.
Las dos propiedades intrínsecas de las partículas son la masa de reposo (junto a su energía inercial de reposo) y la carga eléctrica. La realidad física descansa en estas dos propiedades en cuanto a características internas de los entes tangibles que son la materia o partículas materiales fermiónica y la radiación o partículas radiativas bosónicas. Todas están dotadas de dos tipos de propiedades complementarias desde el punto de vista cuantitativo-cualitativo: La primera propiedad solo posee un tipo de signo pero está cuantificada en tres valores cuantitativos (cero , menor y mayor ) Se trata de la masa propia estable . La segunda propiedad posee tres signos( neutro , negativo y positivo) y está cuantificada en un solo valor cuántico estable :Se trata de la carga eléctrica. Las partículas fundamentales, entendiendo a las mismas como puntuales espacialmente y estables temporalmente , se clasifican según tales propiedades.
Figura nº 8
Como observamos en el cuadro, en la fila horizontal tenemos la masa propia estable cuantificada en tres niveles o cuantos distintos : El nivel nulo o masa en reposo nula para bosones y masa en reposo cuasinula para el neutrino electrónico (es el fermión más parecido a un bosón) teniendo carga neutra respecto a la carga eléctrica (valores cualitativos en la columna de la izquierda). Continuando con el siguiente nivel de masa, la masa mínima corresponde al fermión neutro o neutrino muónico , al fermión con carga negativa (electrón) y positiva (positrón). El tercer nivel de masa estable para el fermión neutro del neutrino tauónico , para el antiprotón negativo y para el protón positivo. Los puntos vacíos son estrictamente nulos en masa, en energía y en carga ,no tienen ni existencia física ni presencia física (ni de reposo ni de movimiento) y no tienen más papel en la naturaleza que permitir la fluctuación de bosones en los fenómenos cuánticos como por ejemplo, la “fluctuación cuántica y másica del origen del Universo”. En las anteriores partículas, las parejas partículas- antipartículas , misma masa y cargas opuestas , no forman estructuras compatibles dado que experimentan la aniquilación mutua. Sin embargo, en el proceso opuesto de la materialización , siempre que ambas se separen en el espacio, sí logran formar materia y antimateria cada cual por su lado. Esto ocurrió en el Big Bang esférico, donde se separó el hemiuniverso antimaterial que implosionó y el hemiuniverso material que explosionó , separándose convenientemente para su supervivencia. La partícula bosónica y el neutrino electrónico poseen carga nula aunque el bosón tiene masa en reposo nula (no existe en reposo , solamente existe a la velocidad universal C) y el neutrino electrónico posee la masa en reposo más pequeña de la naturaleza que roza la nulidad (aún así, los neutrinos electrónicos sí pueden existir en reposo y no pueden alcanzar la velocidad C, son fermiones). Los bosones confinados nucleares se mueven a la velocidad lumínica pero en un cortísimo espacio (y aún más supercorto tiempo de vuelo interprotónico o intraneutrónico), el bosón libre o fotón se mueve a “C” y a relativas grandes distancias. Pueden existir neutrinos en reposo o con poca velocidad (neutrinos inertes o lentos ) y neutrinos de gran velocidad que se llevan gran energía e incluso escapan de todo sistema físico( cruzándolos sin colisión o con rara colisión).Otra diferencia entre el bosón y el neutrino es que el bosón es inestable frente a la existencia de cargas eléctricas (es sensible al campo eléctrico en el sentido de que pueden ser desprendidos/absorbidos de pares de cargas eléctricas pero no repelido-atraído porque son neutros) mientras que los neutrinos ( los tres tipos ) no son sensibles en absoluto a las cargas eléctricas (son neutros )ni son absorbidos/desprendidos no perdiendo su identidad como le pasan a los fotones sino solamente a las interacciones de 1º orden (son atraídos gravitatoriamente y repelidos por la interacción puntual en colisión de Pauli , siguiendo el efecto Compton). Todas las partículas son afectadas por la gravedad y la interacción mínima de Pauli. Las dotadas de carga eléctricas son afectadas por las interacciones electronucleares .En este cuadro podremos incluir el “hipotético bosón gravitón.” Como se verá en un apartado dedicado a los procesos continuos y procesos cuánticos, las partículas sometidas a altísimos campos gravitatorios y/o electromagnéticos(o cruzan escalones bruscos o verticales de potenciales energéticos) no se mueven bajo la conservación de la energía mecánica general sino que se rompe tal continuidad y la energía de los sistemas físicos salta de valores energéticos cuya diferencia se ha transformado en un portador de energía o bosón que huye a la velocidad máxima natural C:Se dice que se ha producido una transformación inelástica con emisión de radiación en forma de partícula radiativa o bosón. Si el origen es una variación de energía gravitatoria por intensos campos gravitatorios o escalón brusco de energías gravitatorias, el bosón se denomina “gravitón”, lo mismo que si se trata de una variación de energía electromagnética, el bosón se denomina “fotón” (en caso de los procesos internos del núcleo, son los gluones y los debilones).Todas estas partículas energéticas tienen en común que se trata de energía expulsada (o absorbida) que se traslada de sistema a sistema transportando la energía que porta y que al igual que ocurre con las distintas formas de energía que en el fondo es energía a secas, estas partículas de distinto origen en distintas interacciones no son más que “bosones”, que experiencialmente tienen distintos contenidos de energía (“unificación de bosones interactivos y con ello unificación cuántica de las interacciones físicas”) .Si conseguimos que un bosón de una naturaleza haga el papel de otro bosón de otra naturaleza, hemos probado dicha unificación cuántica de las interacciones (el problema es la incompatibilidad del contenido energético, por ejemplo, un gravitón tan pobre en energía jamás va a ionizar a un átomo, lo que sí haría el correspondiente fotón). El caso es que las variaciones energéticas en el fenómeno gravitatorio es absolutamente despreciable frente a las variaciones energéticas en el fenómeno electromagnético y aquel queda oculto frente a este (como quedaría oculto el peso que aporta un grano de arena al peso de una montaña)cuya justificación se encuentra en la propia naturaleza de ambas interacciones : La gravitatoria es muchísimo menos intensa (40 órdenes menos de intensidad) que la electromagnética. Véanse las constantes físicas de interacción G y K. Por esta razón, el gravitón es prácticamente indetectable frente al menor de los fotones y creo que aún menos que los neutrinos.
Como observamos en el cuadro, en la fila horizontal tenemos la masa propia estable cuantificada en tres niveles o cuantos distintos : El nivel nulo o masa en reposo nula para bosones y masa en reposo cuasinula para el neutrino electrónico (es el fermión más parecido a un bosón) teniendo carga neutra respecto a la carga eléctrica (valores cualitativos en la columna de la izquierda). Continuando con el siguiente nivel de masa, la masa mínima corresponde al fermión neutro o neutrino muónico , al fermión con carga negativa (electrón) y positiva (positrón). El tercer nivel de masa estable para el fermión neutro del neutrino tauónico , para el antiprotón negativo y para el protón positivo. Los puntos vacíos son estrictamente nulos en masa, en energía y en carga ,no tienen ni existencia física ni presencia física (ni de reposo ni de movimiento) y no tienen más papel en la naturaleza que permitir la fluctuación de bosones en los fenómenos cuánticos como por ejemplo, la “fluctuación cuántica y másica del origen del Universo”. En las anteriores partículas, las parejas partículas- antipartículas , misma masa y cargas opuestas , no forman estructuras compatibles dado que experimentan la aniquilación mutua. Sin embargo, en el proceso opuesto de la materialización , siempre que ambas se separen en el espacio, sí logran formar materia y antimateria cada cual por su lado. Esto ocurrió en el Big Bang esférico, donde se separó el hemiuniverso antimaterial que implosionó y el hemiuniverso material que explosionó , separándose convenientemente para su supervivencia. La partícula bosónica y el neutrino electrónico poseen carga nula aunque el bosón tiene masa en reposo nula (no existe en reposo , solamente existe a la velocidad universal C) y el neutrino electrónico posee la masa en reposo más pequeña de la naturaleza que roza la nulidad (aún así, los neutrinos electrónicos sí pueden existir en reposo y no pueden alcanzar la velocidad C, son fermiones). Los bosones confinados nucleares se mueven a la velocidad lumínica pero en un cortísimo espacio (y aún más supercorto tiempo de vuelo interprotónico o intraneutrónico), el bosón libre o fotón se mueve a “C” y a relativas grandes distancias. Pueden existir neutrinos en reposo o con poca velocidad (neutrinos inertes o lentos ) y neutrinos de gran velocidad que se llevan gran energía e incluso escapan de todo sistema físico( cruzándolos sin colisión o con rara colisión).Otra diferencia entre el bosón y el neutrino es que el bosón es inestable frente a la existencia de cargas eléctricas (es sensible al campo eléctrico en el sentido de que pueden ser desprendidos/absorbidos de pares de cargas eléctricas pero no repelido-atraído porque son neutros) mientras que los neutrinos ( los tres tipos ) no son sensibles en absoluto a las cargas eléctricas (son neutros )ni son absorbidos/desprendidos no perdiendo su identidad como le pasan a los fotones sino solamente a las interacciones de 1º orden (son atraídos gravitatoriamente y repelidos por la interacción puntual en colisión de Pauli , siguiendo el efecto Compton). Todas las partículas son afectadas por la gravedad y la interacción mínima de Pauli. Las dotadas de carga eléctricas son afectadas por las interacciones electronucleares .En este cuadro podremos incluir el “hipotético bosón gravitón.” Como se verá en un apartado dedicado a los procesos continuos y procesos cuánticos, las partículas sometidas a altísimos campos gravitatorios y/o electromagnéticos(o cruzan escalones bruscos o verticales de potenciales energéticos) no se mueven bajo la conservación de la energía mecánica general sino que se rompe tal continuidad y la energía de los sistemas físicos salta de valores energéticos cuya diferencia se ha transformado en un portador de energía o bosón que huye a la velocidad máxima natural C:Se dice que se ha producido una transformación inelástica con emisión de radiación en forma de partícula radiativa o bosón. Si el origen es una variación de energía gravitatoria por intensos campos gravitatorios o escalón brusco de energías gravitatorias, el bosón se denomina “gravitón”, lo mismo que si se trata de una variación de energía electromagnética, el bosón se denomina “fotón” (en caso de los procesos internos del núcleo, son los gluones y los debilones).Todas estas partículas energéticas tienen en común que se trata de energía expulsada (o absorbida) que se traslada de sistema a sistema transportando la energía que porta y que al igual que ocurre con las distintas formas de energía que en el fondo es energía a secas, estas partículas de distinto origen en distintas interacciones no son más que “bosones”, que experiencialmente tienen distintos contenidos de energía (“unificación de bosones interactivos y con ello unificación cuántica de las interacciones físicas”) .Si conseguimos que un bosón de una naturaleza haga el papel de otro bosón de otra naturaleza, hemos probado dicha unificación cuántica de las interacciones (el problema es la incompatibilidad del contenido energético, por ejemplo, un gravitón tan pobre en energía jamás va a ionizar a un átomo, lo que sí haría el correspondiente fotón). El caso es que las variaciones energéticas en el fenómeno gravitatorio es absolutamente despreciable frente a las variaciones energéticas en el fenómeno electromagnético y aquel queda oculto frente a este (como quedaría oculto el peso que aporta un grano de arena al peso de una montaña)cuya justificación se encuentra en la propia naturaleza de ambas interacciones : La gravitatoria es muchísimo menos intensa (40 órdenes menos de intensidad) que la electromagnética. Véanse las constantes físicas de interacción G y K. Por esta razón, el gravitón es prácticamente indetectable frente al menor de los fotones y creo que aún menos que los neutrinos.
c.4)Independencia de la masa y la carga eléctrica para partículas y sistemas de partículas: Imposibilidad de la unificación del campo gravito-inercial y electromagnético .
La masa propia y la carga eléctrica son propiedades intrínsecas de las partículas y para masas estables ,que son las que verdaderamente constituyen la materia (ordinaria, antimateria y materia oscura),se sigue el cuadro del apartado anterior. Para una misma partícula individual la relación carga- masa es lógicamente constante pero si cambiamos de partícula tal relación cambia de manera que la relación q/m para el electrón o el protón, etc, son distintas por lo que no se trata de una relación universal y la masa y la carga no son valores lineales ni proporcionales :Son valores independientes (por ello, son dimensiones distintas e independientes). Más aún, para un sistema de partículas el asunto es mucho más complejo y dicha proporcionalidad es imposible. Para un sistema de “p” protones “e” electrones ( un neutrón aporta un electrón y un protón ) y n1 , n2 y n3 , neutrinos diversos, que están formando un sistema material, donde se encuentran unidos por fuerzas electronucleares o gravitatorias, se añade una masa de interacción M = Eti/ C2 donde Eti es la suma de las energías potenciales de interacción positivas o negativas comentadas. Además, tenemos la energía positiva aportada por las masas de las partículas que serían aún mayores si estuvieran moviéndose (efecto relativista o masa relativista, aunque la carga no variaría) por lo que en nuestro cómputo cuando anotemos Me , Mp y Mn , se entiende que son las masas relativistas de las partículas donde se incluyen la masa de reposo y la e. cinética conjuntamente, todo positivo. El balance de la masa del sistema es pues : M total = p Mp + e Me +n Mn (todos)+ Eti/ C2 Y, sin embargo, la carga del sistema es Qtotal = (p-e) Qo . La relación carga- masa es absolutamente alineal , nunca será una constante universal para cada partícula individualmente ni para sistemas de partículas. Como jamás Q/M = cte universal, en la ecuación de las fuerzas y campos Ft = M( g-a) + Q ( E + VxB) , no podremos unificar esta expresión en la hipotética expresión conjunta Ft = P Cu ,donde Cu es el campo unificado en función de los campos gravitatorios ,inercial, eléctrico y magnético , donde P es una propiedad conjunta de la masa y la carga .La unificación de las fuerzas de la naturaleza y de los campos interactivos consiste en expresar la fuerza total Ft como producto de una propiedad global (que está en función de la masa y la carga) P por un campo unificado Cu , donde están integrados todo los campos interactivos de naturalezas separadas (aquí tendríamos un único campo interactivo a partir del cual se distinguirían los campos individuales de distinta naturaleza ). Mientras que ya habíamos unificado el campo gravitatorio “g” con el campo inercial “a” , con propiedad conjunta( la masa inercial-gravitatoria , iguales) ,aquí no podemos unificar el campo gravitatorio inercial Cgi=g-a , con el campo electromagnético Cem= E+VxB, con propiedad conjunta (la carga eléctrica), porque la masa y la carga “no son universalmente proporcionales”. Si fuera así, Q=KM (carga proporcional a masa, con constante universal de proporcionalidad hipotética K) , la expresión de arriba la podemos expresar, Ft = M(g-a) + KM(E+VxB) = M ( g-a + +K(E+VxB) ) , donde una fuerza total (unificación de todas las fuerzas ) es igual a la propiedad conjunta “masa inercial-gravitatoria” por el “Campo Unificado” (todo el paréntesis) donde se pueden deducir cada campo independiente. No obstante, la linealidad entre masa y carga solo era una hipótesis que los argumentos teóricos y la experimentación nos niega.
d)Las propiedades fundamentales intrínsecas de las partículas y los campos externos que generan.
El Universo en estado de Nada, precedente al actual, está constituido por puntos vacíos que pueblan el infinito del espacio y cada punto no aporta nada a los demás y viceversa : Homogeneidad e isotropía de los puntos de vacío. Incluso los puntos vacíos de nuestro Universo actual no influyen en los demás como los demás no influyen en ellos ,por lo que ni existen ni tiene presencia física. Sin embargo, un punto físico dotado de energía/masa/carga que ocupa una celda del mosaico discretizado del ente espacial del Universo divide a dicho espacio en dos regiones: El interior de dimensiones mínimas físicas sin estructura interna e indistinguibilidad espacial y el exterior de dimensiones infinitas que puede adquirir estructuras por asociación de partículas que formen un sistema de partículas distinguibles. Una partícula puede influir en otras externas ya que estas pueblan el exterior de la primera y el exterior de una partícula es una “prolongación “ de tal partícula en el sentido de que genera influencia interactiva. Las dos propiedades internas de una partícula física dotada de masa/carga, generan un campo potencial interactivo (gravito-electrostático) en todo el infinito espacio circundante pero no se manifiesta de forma real en el espacio de puntos vacíos porque los puntos vacíos no son nada tangibles y son otras partículas físicas con propiedades análogas las que se ven afectadas (dicha afección, que es mutua, se denomina interacción física) de forma “real”, experimentándose con “movimientos” (tanto de partículas materiales como radiativas) , y visualizándose tales movimientos mediante la emisión de señales por partículas radiativas (imagen del movimiento de la materia) y por las propias partículas radiativas directamente (percepción directa de la luz). Debido a la masa, las partículas prolongan su estado de existencia (con identidad en la propia masa inercial) hacia todo el infinito espacio (es una presencia potencial) manifestando su presencia ya real afectando a partículas reales y , por supuesto, viceversa. Debido a la carga eléctrica, la partícula manifiesta su presencia afectando eléctricamente a las demás y viceversa. Tanto la carga como la masa son las propiedades fundamentales para afectar y ser afectada (lo semejante afecta a lo semejante: masa a masa, carga a carga, carga móvil a carga móvil) . Los campos interactivos se clasifican según la propiedad interna de las partículas que lo sustenta (masa y carga) y el origen interno/externo de los mismos : Campos gravitatorios y electro nucleares (origen interno) y campos inerciales y magnéticos ( relativos, origen interno-externo por relatividad).
d.1.)Clasificación de los campos según la propiedad de las partículas que lo sustenta:
- Propiedades intrínsecas (campos estáticos): Campo gravitatorio , campo electrostático, campo nuclear fuerte, campo nuclear débil y el no campo de Pauli.
Los campos originados en base a las propiedades intrínsecas de la masa interna y la carga eléctrica se denominan campos estáticos ya que son campos que la partícula crea estando en reposo y solamente dependen del hecho de poseer tales propiedades (el valor del campo sí depende de la distancia a la partícula ) como ya se verá. Son los campos gravitatorios “g” y electrostáticos “E”. Estos campos se extienden radialmente hacia todas las direcciones del infinito espacio y según sentidos vectoriales asignados. Para un ámbito de actuación muy pequeño, en región muy pequeña o confinada del orden entre 1 Fermi a niveles nucleares y una centésima de Fermi a niveles neutrónicos actúan las interacciones nucleares fuerte y débil. Debido al reducido espacio y a las altas energías implicadas, con escalón de potenciales abrupto, los fenómenos se desarrollan a altísimas energías de tal forma que son fenómenos cuánticos donde los movimientos de las cargas (protones frente a protones en la interacción nuclear fuerte y protones frente a electrones en la interacción nuclear débil) se realizan con saltos cuánticos en los valores de las energías e intercambio de bosones gauge (gluones para la interacción fuerte y debilones para la interacción débil ). La propiedad básica de estas interacciones confinadas y cuánticas sigue siendo la carga eléctrica y la masa . Por último, tenemos la interacción más confinada de todas que actúa en la frontera de las partículas fundamentales sin extensión y ,por tanto, sin campo no variando las energías cinéticas de la partículas y ofreciendo únicamente colisiones elásticas descritas por la ecuación Compton. Estas fuerzas , denominadas Fuerzas de Pauli, no permiten que dos fermiones ocupen un mismo punto en un mismo instante (es un principio de exclusión de fermiones al nivel más reducido). Solamente actúan entre partículas físicas que poseen masa/energía propias e internas, es decir, los fermiones. Se efectúa de forma real entre partículas materiales donde al menos una es neutra ya que esta tiene la posibilidad de acercarse a tan último límite de acercamiento sin la repulsión electrostática. Puede realizarse entre un fermión solitario y un fotón donde el fotón sí inunda la partícula en el mínimo instante posible para luego (ya que es energía excedente para el estado estable) ser expulsada, en una colisión Compton.
- Propiedades extrínsecas (en el marco relativo del espacio-tiempo): Campos inerciales (tangencial y centrípeto) y campo magnético (estático y variable).
Las partículas dotadas de masa y/o carga se mueven por el espacio-tiempo y las medidas de sus velocidades y aceleraciones son relativas dependiendo de otro sistema de referencia (otra partícula material).Si la referencia está en reposo y las partículas fuente de campos también están en reposo, entonces, tenemos el caso del apartado anterior, es decir, campos gravitatorios y electrostáticos. Pero si las partículas fuente de campos se encontraran en movimiento (o están en reposo respecto a un sistema de referencia y este sistema de referencia estuviera en movimiento respecto a otro), aparecerían “fuerzas de inercia” derivadas del movimiento relativo acelerado entre las partículas: Son los campos de inercia. Pueden ser campos de inercia tangenciales con sentidos opuestos a la aceleración de los sistemas de referencia acelerados ,o bien, campos de inercia centrípetos con sentidos radiales hacia afuera (como un campo antigravitatorio).Podemos tratar estos campos de forma conjunta con la gravedad teniendo pues “campos gravito-inerciales” Cig= g – a . Por otra parte, un sistema de referencia con velocidad relativa genera en las cargas eléctricas unas fuerzas denominadas “magnéticas” pudiéndose tratar estos campos de forma conjunta con el campo electrostático teniendo pues “campos electromagnéticos” Cem =E + VxB . Si las cargas se encuentran en reposo, el lado magnético del campo electromagnético es nulo pues B(v) teniendo solamente campo estático E; pero si tenemos un conjunto de cargas que se compensar generando campo E=0 ,pero sus cargas están en movimiento (por ejemplo un imán neutro), solamente tenemos B no nulo ; si el sistema de partículas tiene balance un nulo E y no nulo B, tenemos ambos campos, conjuntamente el campo electromagnético. La teoría electromagnética nos muestra que esta dualidad electricidad-magnetismo, no solamente es dual en cuanto a que las fuentes sean estáticas y/o móviles (amén de sus orientaciones espaciales y su balance de cargas) , sino con sus variaciones en el tiempo : Un campo eléctrico variable genera un campo magnético (ley de Ampere-Maxwell) y un campo magnético variable genera un campo eléctrico (ley de Faraday-Henry-Lenz). Más aún, estos campos variables no solamente expresan sus valores en el espacio de forma potencial para hacerse real sus efectos en las cargas eléctricas (electrones) haciéndolas oscilar como si fuesen partículas en las olas del mar, sino que tales variaciones se propagan por el espacio a la velocidad universal “C”, como las olas en el mar, constituyendo las “ondas electromagnéticas” como la luz. Por analogía a estas ondas, dentro del fenómeno gravitatorio, si hacemos oscilar partículas fuente de manera que generen campos gravitatorios en cada punto del espacio que fuesen variables, haciendo oscilar a partículas de masa, tales variaciones g(t) se propagan por el espacio a la única velocidad “C”, y al alcanzar a las partículas con masa, las haría oscilar también. No obstante, la onda gravitatoria que llega a su destino hace vibrar a toda materia con la misma aceleración a=g (para todas), no habiendo movimientos relativos y no pudiéndose registrar tales ondas, son como ondas fantasmas. Contrariamente, la onda electromagnética, hace oscilar de forma distinta a cada partícula a=q/M E , y de esa distinción, las aceleraciones distintas entre ellas provoca su posible detección (ejemplo, podemos detectar variaciones relativas entre los movimiento del electrón y del protón o del núcleo, en tal movimiento, salen y entran fotones , señal clave para detectar a la materia electromagnéticamente).
d.2)El giro y el momento cinético (y magnético) de una partícula y un sistema de partículas . Para una partícula puntual: El spín inercial y el magnético(cuantificación) de Uhlembeck y Gouchmit. Experimento de Stern-Gerlach. Spin para fermiones, bosones y gravitones. La posible justificación del sentido de separación materia/antimateria en gradiente gravitatorio.
Los movimientos rectilíneos uniformes son fruto de la falta de interacción o del equilibrio de interacciones según dicta el 1º principio de la dinámica de Newton. Sin embargo, al existir interacciones netas se producen aceleraciones como las aceleraciones tangenciales que producen variaciones del módulo de la velocidad. Cuando las fuerzas son perpendiculares a las trayectorias generan en los móviles movimientos circulares que se siguen por el 2º principio de la dinámica de Newton como ocurre con los satélites alrededor de los astros atractores o los electrones alrededor del núcleo. En el caso de un cuerpo material o sistema de partículas, cada partícula está unida al resto del cuerpo al que pertenece y esa fuerza provoca un giro en la partícula alrededor de un eje cuando dicho cuerpo se encuentra en movimiento de giro. La parte de la Mecánica que estudia el movimiento de rotación de cuerpos alrededor de un eje de giro se denomina Mecánica de rotación de sólidos (caso ideal, de sólidos rígidos). Cuando actúa una fuerza sobre un cuerpo esta puede causarle movimientos de traslación según las leyes dinámicas newtonianas y/o causarle movimientos de rotación sobre un eje. El efecto de rotación queda perfectamente determinado por la velocidad angular “W” en un instante o por su aceleración angular “A”. La causa del cambio de velocidad y por lo tanto de la aceleración angular es una combinación de la fuerza aplicada ,su punto de aplicación y su orientación. Para un efecto de traslación, la ley de newton queda F=dp/dt , siendo p la cantidad de movimiento. Para un efecto de rotación, la ley mecánica es M=dL/dt , donde L es el momento cinético (es una cantidad de movimiento de giro) y M es el momento de las fuerzas de valor M=FXsena , donde F es la fuerza aplicada, X su aplicación distanciada del eje de giro y “a”, ángulo de la fuerza. Si actúa una M sobre el cuerpo le ejecuta una variación de L cuyo valor es L = I W , es decir, una variación de la velocidad angular. El valor I se denomina “momento de inercia” del cuerpo y es una “masa distribuida alrededor del eje de giro” que depende de la masa del cuerpo , de la geometría y tamaño del mismo. ¿Cómo sería este análisis si el cuerpo en estudio fuese una partícula fundamental individual? Si actuara una fuerza externa perpendicular a su velocidad, le provocaría una trayectoria curva de cierto radio con un momento L externo determinado. En este caso , el estudio es el mismo que para un sistema de partículas(igual que el estudio del movimiento de la Luna alrededor de la Tierra).Pero si estudiamos el momento cinético interno , tal estudio, en principio, no tiene sentido porque una partícula fundamental no tiene estructura ni extensión distinguible interna. Para una partícula individual, su tamaño tiende a cero pero no es totalmente cero pues tiene el tamaño de la mínima distancia física de Planck Xp, pero internamente indistinguible. Si actuara una fuerza sobre la partícula (ejemplo, una fuerza eléctrica sobre un electrón)¿Cuánto vale el momento y qué le ocurre al momento cinético L? Como X=Xp la partícula es indistinguible internamente, M=FXpsena=0 , L=constante. Ninguna fuerza que actúe sobre una partícula fundamental le causaría variaciones en ninguna rotación interna y solamente lo haría en las rotaciones externas alrededor de un punto externo a dicha partícula. Sin embargo, en los experimentos de Stern-Gerlach se descubrió que un haz de electrones libres dentro de un campo magnético se dividía en dos haces. ¿Cómo es posible que hubieran dos tipos de electrones que se separaran ligeramente al interactuar con un campo magnético. Uhlembeck y Gouchmit lo interpretaron postulando que los electrones giraran internamente sobre sí mismos en dos sentidos posibles separando el haz original en dos haces. Según ellos, los electrones poseen un momento cinético L interno mínimo o cuántico o residual al que denominaron “spin eléctrónico” que para las partículas materiales (fermiones con cargas o fermiones sin carga) podrían adquirir dos valores iguales pero contrarios (como muestra el experimento detallado anteriormente) –h/2 y +h/2 , siendo tal constante la constante de Planck. Para las partículas de radiación o bosones, su valores es un nº entero 0h , 1h o 2h . El efecto de un campo magnético en la partícula con giro intrínseco se realiza directamente sobre su “spin magnético” que está directamente relacionado con su spin inercial o electrónico. En base al modelo de partícula fundamental puntual o indistinguible no podemos visualizar geométricamente la naturaleza de este momento cinético y magnético intrínseco aunque según el modelo de pompa de jabón para la partícula puntual la masa y la carga eléctrica está distribuida por tal superficie frontera pero esta no es una superficie geométrica pues no se distingue físicamente de un punto visto o experimentado externamente. Por ello, de la misma manera que toda partícula tiene una masa interna (medida en reposo respecto a cualquier sistema de referencia) universal pero tiene una masa relativista dependiente de la velocidad, también posee un giro intrínseco universal que adquiere dos valores cuánticos (como muestra el experimento de Stern-Gerlach) : Momento cinético cuántico interno o “spín inercial” S y paralela y proporcionalmente, posee un “momento magnético interno o spín magnético “m” “. El spín inercial lo posee todas las partículas físicas de manera que las partículas materiales o fermiones toman dos valores cuánticos +h/2 y -h/s, derivados de la duplicidad de orientaciones en el experimento de Stern-Gerlach donde un haz de electrones aparentemente homogéneo se bifurcaba en dos haces opuestos (sorpresa respecto a la física clásica) cuando cruzaba una región dotada de un “gradiente de campo magnético” GradB. La propiedad cuántica nueva que logra explicar (según Uhlembeck y Gouchmit ) este hecho es la distinción del spín electrónico .Aunque todas las partículas clásicamente iguales ,como ocurre con los electrones, tienen igual comportamiento respecto a campos gravitatorios, eléctricos o magnéticos, sin embargo, ante un “gradiente de campo”, logran distinguirse entre spin de un tipo y spin de otro. A la masa y a la carga eléctrica, como propiedades fundamentales, se le añade el “spín tanto inercial de giro que posee dos giros distintos en el espacio como magnético donde se añade el signo de la carga”. La clave de la distinción se encuentra no en el valor del campo gravitatorio o en el electromagnético, sino en el gradiente o variación espacial de tales campos. “Esta debe ser la clave que nos haga distinguir el comportamiento de las partículas materiales de sus simétricas antimateriales a la hora de decidirse a orientarse hacia un sentido o hacia el opuesto, en su materialización y, más concretamente, en la materialización original en el origen del Universo”. Las partículas materiales deben tener distinto spín inercial/magnético que las correspondientes antimateriales de tal manera que en el gradiente de campo gravitatorio que existe en la superficie original (consúltese) , se separen partícula y antipartícula (materialización de los bosones H creadores originales) y todas las antipartículas se dirijan al interior de la esfera original y las partículas hacia el exterior, diametralmente opuestas ya que ,como se verá, al lado interior se tiene un gradiente gravitatorio distinto que al lado exterior (es como un experimento de Stern-Gerlach pero gravitatorio ).Este fenómeno distintivo, basado en la tercera propiedad fundamental del spín intrínseco, también se produce en la superficie de Schwarzschild en los agujeros negros, cuando bosones energéticos se materialicen en partículas que se dirijan al exterior y antipartículas que se dirijan al interior. Este efecto cuántico del desdoblamiento de partículas por tener spines opuestos, se volverá a tocar tanto en la teoría del origen esférico del Universo como en el mecanismo de funcionamiento de los agujeros negros.
Blog sobre el Origen esférico del Universo (libro Fundamentos físicos de la Historia natural del Universo).Errata: En la figura nº 6 y en la figura nº 17, análogas,el bosón H creador de partículas materiales se materializa en un prótón y en un antiprotón (no un electrón).
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