Capítulo 4

CAPÍTULO 4 - 2.4.Tipos de estructuras o sistemas de partículas materiales (complejidad creciente).                                                      

            a)Primera asociación: Núcleos atómicos (neutrón, elementos e isótopos, núcleos estables e inestables, límites).

Cuando los bosones de alta energía generan partículas altamente inestables o denominadas “exóticas” ( mesones, hiperones, etc) estas ,al poseer altísima energía concentrada en el punto físico donde se ubica, se desintegran dispersando masa-energía hacia las direcciones radiales del espacio de manera que se divide en partículas de menor masa-energía (durando tiempos hiperpequeños promediadamente) y estas a su vez en otras más pequeñas formando series de desintegraciones más o menos largas dependientes de la energía inicial. Estas partículas no logran formar estructuras estables sino que pasan a la historia natural como partículas individuales fugaces (tiempos medios de duración de cienmillonésimas, billonésimas o trillonésimas partes del segundo). Pero al llegar al final de todas las series, los productos finales son estables y son precisamente las partículas conocidas : El protón o el antiprotón, el electrón o el positrón  y los tres neutrinos . Al final, estas partículas son las que formarán sistemas materiales con mayor o menor cohesión interna.

       Según el tipo de partícula fermiónica de que se trate se forman  estructuras o sistemas de partículas como  “materia” (protones y electrones) , “antimateria” (antiprotones y positrones) y “materia oscura” ( los neutrinos formarán materia oscura y los antineutrinos, antimateria oscura, aunque se vio que coincidían, en general, tenemos materia oscura). Para la materia ordinaria, la que nos rodea y constituye toda la parte del Universo al que pertenecemos (hemiuniverso material) ,tenemos varios niveles de organización denominadas “niveles de asociación” que son   :  La primera asociación , la segunda asociación y la tercera asociación , para las extensiones microscópicas. Más allá se desarrollan las extensiones macroscópicas que parten desde los cuerpos de tamaños análogos a nuestra referencia humana y ,más aún, el planeta ,los astros ,la galaxia y el Universo en su conjunto. Aquí vamos a desarrollar el primer nivel de asociación donde ,una vez que tenemos las partículas estables del protón y del electrón , estas se asocian gracias a la interacción  atractiva electrostática aunque repulsiva débil y dentro de un confinamiento del orden de centésimas de fermi, cuyo balance mantiene provisionalmente estable al conjunto de ambas o “neutrón”. 

      

       Desde el punto de vista interactivo se equilibran ambas interacciones para mantener al electrón neutrónico , o bien, desde el punto de vista energético, el balance de energía eléctrodébil es negativo pero bastante justitamente para que el neutrón libre dure unos 15 minutos (en dicho camino el par protón-electrón confinados puede recibir un fotón que provoque que la suma de la energía negativa eléctrica se vea superada por la energía positiva débil más la energía positiva del fotón absorbido, con balance final positivo que se traduzca en separación de protón y electrón y desintegración del neutrón).Este mismo fenómeno de la desintegración del neutròn puede prodcuirse en el interior del núcleo cuando el neutrón o sistema protón-electrón reciba energía del resto del núcleo (que posee un exceso) y expulse un electrón “nuclear” o partícula beta (no obstante, el neutrón dentro del núcleo es mucho más estable pues tanto el protón como el electrón están atraídos por los homólogos de tal núcleo).En el siguiente nivel tenemos a los átomos y sencillamente al átomo de hidrógeno con el protón y su electrón en órbita más lejano que en el neutrón fuera de la interacción débil  donde solamente es la interacción atractiva eléctrica  la que actúa siendo pues el átomo de hidrógeno más estable que el propio neutrón (el átomo de hidrogeno es más estable que el propio neutrón aislado porque en el primer caso solamente actúan fuerzas atractivas electrostáticas mientras que en el segundo caso, además, actúa una interacción débil repulsiva, dando mayor inestabilidad). Solamente la absorción/emisión de fotones provoca que el electrón se aleje/acerque al núcleo. Continuando con los núcleos atómicos, como se verá en la dinámica nuclear y estructura del núcleo atómico, los protones y neutrones (asociación de protones y electrones, estos formando una nube bajo interacción electronuclear, con neutrones ocasionales) forman desde pequeños núcleos muy compactos pero con tendencia a la fusión  y  grandes núcleos que forman superficies esféricas gruesas de nucleones con oquedad central , llegan a tener grandes tamaños pero con límites. Llegando a ciertos números másicos, son de tal inestabilidad que no existen en la naturaleza de forma espontánea sino que son fabricados artificialmente en los laboratorios por fusión artificial de núcleos menores, durando tal asociación tiempos cada vez menores cuanto mayores son las masas que se formen: Son los núcleos de elementos artificiales.

        

b) Segunda asociación: Atomos (neutrón, elementos y sus iones , cortezas estables e inestables) y descripción de la corteza atómica (el Sistema periódico de los elementos químicos). Reacciones químicas atómicas.

El siguiente nivel de asociación en la materia electromagnética es el sistema del átomo. En el átomo se encuentra un núcleo positivo constituido por una asociación de primer nivel de protones y electrones (y virtualmente neutrones) donde se concentra la inmensa mayoría de la masa del átomo por lo que cinemáticamente constituye un auténtico centro prácticamente en reposo  y alrededor orbitan de forma más o menos compleja los electrones negativos. El neutrón puede considerarse una partícula de primera asociación (interacción electrodébil entre protón y electrón a la distancia de interacción de confinamiento nuclear del orden del fermi) a la vez que un átomo de nº atómico z=0 sin electrones en la corteza .A partir de aquí, el siguiente átomo es el de hidrogeno z=1 con sus isótopos, el helio z=2,etc. Los electrones interactúan con el núcleo bajo la interacción electromagnética y a grandes distancias comparadas con el núcleo (unas 10 000 veces más lejos, ya fuera de la distancia de acción electronuclear) del orden del ángstrom. Cada electrón está sometido a la interacción directa de cada partícula del núcleo en modo superpuesto, amén de la interacción repulsiva de los restantes electrones de la corteza. El átomo monoelectrónico tiene un comportamiento bastante sencillo siguiendo muy bien el modelo de Bohr pero cuando el sistema se complica (átomos multielectrónicos) este modelo deja de seguirse y se sustituye por un modelo mecánico-cuántico basado en la física ondulatoria cuántica de los orbitales cuantizados. Este modelo moderno de corteza atómica nos describe a la misma con ondas de probabilidad confinadas alrededor del núcleo denominadas “orbitales” , que están organizadas por nº cuánticos n,l,m , y  están ocupadas por electrones con dos tipos de momentos cinéticos o spines. Este modelo explica las propiedades del sistema periódico de todos los átomos de todos los elementos de la tabla periódica constituyendo la piedra angular de la Química. La descripción de la distribución de los electrones por los orbitales es la configuración electrónica. Este modelo puede explicar la estabilidad cortical de muchos átomos denominados gases nobles, la electropositividad de otros denominados metales, la electronegatividad de otros denominados no metales y la ambivalencia de otros tantos denominados semimetales. Puede explicar las uniones interatómicas o enlaces químicos así como la estructura de las agrupaciones atómicas como las moléculas y los distintos tipos de cristales (covalentes, metálicos e iónicos).La dinámica intraatómica e interatómica consiste simplemente en la tendencia de los átomos a evolucionar desde la inestabilidad hacia la estabilidad, denominada aquí, “química”. Los átomos con igual nº de protones que de electrones solo garantiza la neutralidad eléctrica pero no su estabilidad; algunos átomos tienden a perder electrones y convertirse en cationes (los metales) , otros en ganar electrones y convertirse en aniones (no metales), y otros son inertes sin actividad química quedándose neutros como son los gases nobles.  En esta dinámica química interviene la energía que se absorbe o se cede en forma de fotones como ya se ha visto en otros apartados. Un electrón puede encontrarse en un orbital alrededor de un átomo solitario o en un orbital compuesto dentro de una molécula o de un cristal, de manera que salta desde donde la energía es mayor hacia donde la energía es menor, cuya diferencia de energía sale despedida en forma de fotón (y viceversa). Esta es la “dinámica de la materia electromagnética”: Protones, electrones y fotones. Idem y simétricamente para la materia antimateria. En esta dinámica dentro de un mismo tipo de átomo y con otros átomos distintos, se establecen enlaces químicos nuevos para formar moléculas y cristales nuevos, cambiando la estructura de la materia y dando lugar al cambio químico o “reacción química”.En estos fenómenos complejos se cumplen los principios de conservación de la energía-masa, de la cantidad de movimiento y de la carga eléctrica, amén de cumplirse el principio de dispersión que globalmente o termodinámicamente, se denomina 2º principio de la Termodinámica o del aumento de la entropía (máxima dispersión de la materia y la energía que trata de  uniformar el espacio ).

       c)Tercera asociación : Moléculas  y  cristales (hacia los extensos  agregados materiales  geológicos y astronómicos) ; biomoléculas (hacia las multiversas e hipercomplejas agregaciones materiales biológicas , los seres vivos con sus comunidades y la Biosfera). 

El tercer nivel de asociación en la organización microscópica de la materia lo constituyen las asociaciones de átomos enlazados químicamente (sean enlaces interatómicos o intermoleculares o reticulares) que dan lugar a grupos concretos y aislados como las moléculas y redes extensas denominadas cristales. Tales microestructuras se repiten periódicamente en el espacio en grandes extensiones para formar las sustancias que nos rodean (simetría espacial ). Según sea la organización microscópica de los distintos tipos de materia (denominada “composición química”)  así serán las propiedades químicas macroscópicas de tal sustancia (alterando en un aspecto cuantitativo o cualitativo dicha composición, se obtienen sustancias con propiedades macroscópicas distintas, distintos puntos de fusión y ebullición, densidades, estados físicos, colores, olores, sabores, texturas, consistencias, etc, etc).Si solamente están formadas por átomos iguales químicamente, forman sustancias elementos y si se unen átomos de distintos elementos forman compuestos, que en conjunto forman las sustancias puras. Si se tienen en un mismo espacio moléculas y/o cristales distintos, se tienen las sustancias mezclas ya sean en distribución homogénea o heterogénea. Estas 4 clases de sustancias (clasificación química)  bien por separado o formando una región material determinada con cierta masa, cierto volumen y , en general, todas las propiedades físicas de la materia, forman los “cuerpos físicos”, que son las porciones o partes del Universo. En grandes agregaciones  extensas pueden formar paisajes geológicos, accidentes geológicos, la superficie y el interior de astros en diverso estado de evolución (astros geotérmicamente calientes en su totalidad, o sólido en su superficie y líquido en su interior como la Tierra, o geológicamente sólidos íntegramente como la Luna), grandes astros esféricos, pequeños astros de diversa forma, planetas, satélites así como estrellas, etc, etc. La materia también  puede extenderse en menores cantidades pero en una numerosísima diversidad de formas con  estructuras moleculares hipercomplejas generando las sustancias orgánicas , las sustancias bioquímicas, los seres vivos unicelulares, los seres vivos pluricelulares, etc, etc, hasta llegar a la estructura más compleja que son los seres vivos superiores dotados de grandes cerebros como los mamíferos y más aún los primates, coronándose en este sentido en el ser humano. Todos los seres vivos se asocian ecológicamente para  constituir comunidades  que en conjunto ,dentro del total de la vida en un planeta ,constituyen la Biosfera. Desde el punto de vista energético y más concretamente térmico, la materia de las estrellas es la que alcanza mayores temperaturas seguida de los astros sin luz propia que suelen rodearle. Dentro de estos astros, como un planeta o también un satélite de un planeta, la  materia viva está dotada de relativas bajas temperaturas en un rango muy estrecho donde desarrolla sus funciones vitales como la nutrición, la reproducción y la relación.

          d)Materia ordinaria o electromagnética (térmica y radiante) :Clasificación física y clasificación química.     

     

La materia ordinaria o electromagnética es el tipo de estructura material constituida por protones y neutrones (asociaciones protón-electrón en interacción electronuclear) formando núcleos que están rodeados por electrones corticales bajo la interacción electromagnética. Hasta aquí tenemos las asociaciones de 1º orden y de 2º orden ya vistas anteriormente. Las agregaciones de átomos para formar las moléculas y los cristales constituyen el 3º orden de asociación a nivel microscópico respecto a los seres humanos. La experiencia de la materia ordinaria que es la que nos rodea de forma inmediata es la que constituye la realidad física : Tangible en cuanto a la materia que constituye el Universo inmediato y la radiación que emana, refleja, refracta, etc; todo ello enmarcado en el espacio y en el tiempo de escenario físico ; además, toda la materia y la radiación que nos rodea interacciona con nosotros, y todo a su vez, no de forma arbitraria o caótica, sino de forma cósmica o regulada aunque de forma compleja (todas las leyes físicas aunque elementales y sencillas, actúan a la vez en todo punto del espacio y en todo momento del tiempo: en esto consiste su complejidad). La materia no es solamente una estructura de partículas unidas formando una estructura sino que también posee energía inmersa. La propia energía cinética   y nucleares interactivas internas de las partículas dentro del núcleo no se manifiestan normalmente ;las energías cinéticas y electromagnéticas intraatómicas no suelen manifestarse tampoco ; las energías cinéticas de los átomos, moléculas y redes en su conjunto sí se manifiestan en modo de energías térmicas; sus cambios o reacciones químicas generan nuevas sustancias que son tratadas distintamente por la luz (se ven de distintos colores), cambios de aspectos generales (cambian de estado físico) y pueden emitir energías térmicas y luz visualizables por el ojo o por el tacto. La materia electromagnética que puede absorber fotones o desprenderlos, que puede transmitir energías cinéticas individuales o energías térmicas (o absorberlas) es mucho más que una estructura estática sino que es un espectáculo de formas, tamaños, colores, temperaturas , sabores y olores, que captamos con nuestros sentidos y mucho más que no podemos captar con nuestros sentidos sino con aparatos técnicos, y aún aspectos que ni los aparatos pueden detectar. Tendríamos la realidad física observable directamente, la realidad física observable indirectamente y la realidad física no observable, por el momento. Tal como podemos captar la realidad que nos rodea, la materia la clasificamos de la siguiente manera:   Según su aspecto global, en sólidos, líquidos y gases, siendo esta una clasificación física (estados físicos) ; según su organización interna microscópica, la clasificamos en sustancias puras tanto elementales como compuestas y en sustancias mezclas tanto homogéneas como heterogéneas.

           e) Materia oscura de haces de neutrinos (en reposo o inertes  , baja velocidad o atrapadas gravitatoriamente en la vecindad de astros atractores o de alta velocidad que escapan al espacio abierto). Producción de los tres tipos de neutrinos en el corazón las estrellas (temperatura): Espectro de neutrinos (el efecto de oscilación de neutrinos).          

       En el desarrollo de la Astrofísica y a partir de la Teoría del Big Bang , se contemplaban varios futuros alternativos para la expansión del Universo en función de los efectos gravitatorios dependientes de la masa del Universo y los efectos inerciales dependientes de la energía original de la citada explosión inicial. El aspecto más poderoso guiaría al Universo hacia un futuro en expansión sea este universo abierto (expansión ilimitada) o universo cerrado (expansión con paro y retroceso para un colapso universal o Big Crunch).La tendencia “antrópica” , inherente a nuestra especie , movió la atención a buscar algún secreto escondido en el Universo para declinar la balanza hacia un universo cerrado ( y por tanto, encontrar más masa de la que vemos electromagnéticamente)y así tener nuestra casa “recogida” en un espacio limitado y ¡no! tendente a la infinita dispersión o alejamiento y absoluta soledad de unas galaxias frente a otras convirtiéndose estas en auténticos universos islas como se las conocía de antaño. Si bien este procedimiento es un  tanto  artificioso al forzar a la naturaleza a comportarse según nuestros deseos, no obstante, por otra parte, resultó un hallazgo curioso el estudio de las rotaciones de galaxias sobre sí mismas o de cúmulos galácticos alrededor de sus centros de gravedad donde tales rotaciones derivan de las atracciones gravitatorias internas. La cantidad de materia visible (hasta ese momento la única real) era insatisfactoria para sostener la compacidad gravitatoria de dichos sistemas de astros (y sus sorprendentes velocidades de rotación anormalmente altas).Tal compacidad se refiere a que en vez de girar las estrellas alrededor del centro galáctico con velocidades angulares cada vez más lentas cuanto más lejos se encuentren de tal centro (derivado de las leyes keplerianas para sistemas planetarios, como sabemos ) , resulta que dichas estrellas giran como si la galaxia fuese un bloque sólido, todas a la misma velocidad angular.Debe haber algún agente nuevo que escapa a nuestros detectores oculares (estos detectan ondas electromagnéticas visibles o luz vulgar) e incluso a nuestros detectores auxiliares (ondas EM no visibles, con nuestros radiotelescopios),  que siendo invisibles igualmente aportan interacción gravitatoria .Este fantasma que se deja sentir en la compactación gravitatoria de las galaxias pero no se deja ver era la denominada “materia oscura”(propuesta por Fritz Zwicky,1933).  ¿Es un artificio como el antiguo éter en la propagación luminosa o sobrevivirá  como parte del edificio teórico de la Astrofísica?   ¿Cuál es la estructura de esta modalidad de materia y cuál es su “cuanto” o estructura microscópica dentro de la teoría de las partículas fundamentales o modelo estándar?  Este artículo abordará el hallazgo astrofísico de la materia oscura y buscará en la teoría de las partículas fundamentales (modelo estándar de partículas) el cuanto de este tipo de materia y sus características microscópicas que expliquen sus consecuencias macroscópicas y ,viceversa, explicando la estructura microscópica de la materia oscura. Esta es precisamente la hipótesis del artículo:” La materia oscura es un enjambre de neutrinos y los neutrinos es el cuanto material de dicha materia oscura”. En primer lugar, vamos a calcular la velocidad de rotación de las estrellas de una galaxia común de brazos espirales. Si la galaxia está constituida solamente por materia visible o también denominada “electromagnética” (que absorbe y emite los fotones, y por ello, podemos iluminarla y verla), esta se organiza ,sobre todo ,en centros muy densos o astros como las estrellas y sobre todo, el gran núcleo galáctico  hipermasivo. A su alrededor, tenemos grandes espacios vacíos (sobre todo en las galaxias actuales). El campo gravitatorio es del tipo “kepleriano” o “newtoniano”  bien   conocido:  a=g=GM/r2 .  La velocidad de rotación de cualquier estrella alrededor del núcleo a una distancia “r” será   a=g= w2r   El resultado es un derivado de la 3º ley de Kepler :  w=Raiz(GM/r3)   .Como vemos, a cada grupo de estrellas formando una corona a distancia “r” del centro galáctico le corresponde “una velocidad angular “w” “ de rotación distinta. Según esto, dentro de una galaxia, cada anillo de estrellas giraría a distinta velocidad angular alrededor del centro galáctico.  Pero, he ahí el hallazgo de los astrofísicos, que si bien en las cercanías al núcleo y en el propio núcleo la rotación sí depende de la distancia, a partir de cierta distancia la velocidad angular es la misma para todas las coronas de estrellas, como si fuera un disco sólido. Se nos escapa algo. Debe haber una distribución de masas no detectable ópticamente en los intersticios del espacio interestelar. Pongamos por hipótesis una distribución de masas no óptica (que llamaremos “materia oscura” cuya naturaleza queda por averiguar).Podría proponer una distribución discoidal, o bien , esférica de densidad constante aproximadamente. Para acortar tiempo, expongo la hipótesis de una distribución esférica de masas que inunda todo el espacio de la galaxia .   Figura nº 22 a. Esta distribución de la materia oscura es de estructura contraria a la materia ordinaria: Esta es densa pero puntual en centros astrales ;la otra es muy poco densa pero llena el espacio(como los espacios abiertos son enormes, la masa total de materia oscura es mayor que la materia ordinaria). Calculemos la nueva velocidad de rotación: En el cálculo de la gravedad de esta nube esférica de materia, aplico el teorema matemático-físico de Gauss para geometría esférica   y resulta un campo gravitatorio:        g=(4/3)pi G d r   , siendo   “d” la densidad media de la materia oscura”  y, r  ,la distancia de un punto de la galaxia al centro de esta.  La gravedad total de la materia visible y oscura: g=GM/r2 + (4/3)piG d r  

 Figura 22 a . 

       Igualmente, para astros que tienen ya trayectorias circulares estables alrededor de la galaxia, la aceleración (que es centrípeta)  a=g=w2r =GM/r2 + +(4/3) piGd r    tenemos finalmente,                  W= Raiz(GM/r3 + 4/3 piG d  ).  La gráfica de esta relación se expresa al margen W=W(r) Figura 22 b.  Se observa que a corta distancia del núcleo galáctico , el término kepleriano (GM/r3) es más importante dada las cortas distancias y la gran masa del citado núcleo amén de la baja densidad de la materia oscura. Estas zonas son de gran rotación comparada con el resto de la galaxia pero de valor decreciente .A medida   que nos alejamos, el término kepleriano es cada vez menor y más insignificante y los astros van girando “aproximadamente de forma sólida”y todos con velocidad angular uniforme W=Raiz (4/3pi G d)  . No solamente por la forma de la gráfica W=W(r) sino por los valores concretos y altos medidos de dichas velocidades angulares (derivado de un aceptable pero existente valor de “d” de materia oscura), debemos admitir la existencia de materia no observable ópticamente. Pero ¿porqué no es observable y porqué esa geometría esférica y no discoidal como la materia visible alrededor del centro galáctico? Debemos investigar en el corazón microscópico de la materia ,es decir, en la Teoría de las partículas fundamentales.  Según el modelo estándar de las partículas materiales, la materia estable está formada por las partículas denominadas fermiones estables que en la materia ordinaria son los protones y los electrones. Pero estas partículas no constituyen la materia oscura porque es la base de la materia visible ( la materia visible o electromagnética es aquella que absorbe fotones, separando protones de electrones en un salto cuántico en los átomos, para luego emitir el fotón acercando protón a electrón, y por esto, la materia se hace visible, ya que este fotón se introduce en tu ojo y ves la imagen de los objetos, amén de recordar que los fotones son las partículas energéticas en transporte entre partículas “cargadas eléctricamente”).No obstante, encontramos unas misteriosas partículas descubiertas teóricamente por Pauli en 1930, para justificar ciertas desviaciones en las trayectorias de partículas que transmutaban ligeramente. El ejemplo más relevante es la desintegración del neutrón (inestable en solitario)en un protón y un electrón. Más adelante, se generalizó en la desintegración de partículas de alta energía. Siempre que una partícula solitaria de una determinada masa/energía alta y carga de un signo   , inestable, se transformaba en otra de menor masa/energía  y mismo signo de carga, más estable, siempre había un “neutrino” escapándose. Figura nº 17 El neutrino, partícula material que existe en reposo (fermión), transporta masa/energía pero no carga eléctrica pues es neutro eléctricamente. Un fotón no altera a un neutrino y un neutrino “ni absorbe ni cede fotones”, es decir, no podemos obtener imágenes de tales partículas ni de sistemas de tales partículas: Es transparente a la luz y demás ondas electromagnéticas. Es el cuanto de “materia oscura”  ( por cierto, su denominación de materia oscura es absolutamente inadecuada porque deja pasar la luz a su través y ellos mismos pasan a través de la luz sin alterarse mutuamente, es pues, “materia transparente”).Es el mejor candidato para nuestra misteriosa materia interestelar. Pero como posee masa/energía,  por la relatividad general, son susceptibles de ser atraídos gravitatoriamente. Por otra parte, al ser partículas neutras y fundamentales (no tienen estructura interna, son puntuales) su colisión con protones y electrones, o átomos,  es altamente improbable (no se desvían por atracción o repulsión con partículas cargadas). La única posibilidad extremadamente baja de colisión es con dicho protón o electrón “frontalmente” con rebote elástico (y esto debido, no a las interacciones clásicas ,sino a la imposibilidad de que dos fermiones ocupen el mismo punto del espacio a la vez, principio de exclusión de Pauli puntual y riguroso). Por esto, los neutrinos viajan por el espacio libre y cruzan “casi libremente” la materia (astros, estrellas, galaxias) sin alterarse, sin ser absorbidas, prácticamente. Una objeción hecha a tal hipótesis sobre los neutrinos como cuanto de materia oscura es que poseen masas muy pequeñas para realizar efectos gravitatorios tan notorios como la rotación uniforme de galaxias y cúmulos galácticos, amén de que se le asigna un papel importante en el apelmazamiento gravitatorio universal e inducir a la posibilidad de un universo cerrado (se ha estimado que la materia oscura debe tener un 25% de la masa total universal junto a otros entes que ahora no anotamos, no obstante, la condición de universo cerrado va a venir por otros caminos).

       Como se desarrollará en la Teoría del origen esférico del Universo, los neutrinos vienen poblando el Universo desde el primer momento del origen de este ya que las partículas originales altísimamente energéticas desarrollaron series larguísimas de desintegraciones emitiendo grandes cantidades de neutrinos de los tres tipos de masas y con gran diversidad de masas relativistas (por diversidad de posibles velocidades), de manera que hay una gran cantidad de ellos apelmazados gravitatoriamente a la materia y a la antimateria  electromagnéticas. Todo apunta a que los neutrinos son los cuantos de materia de la materia oscura de los astrofísicos. En una galaxia, la producción de neutrinos la encontramos en las partículas de altísima energía que se encuentran en los corazones de las estrellas masivas o supermasivas de las galaxias tanto del núcleo como de los halos exteriores. Estas partículas muy inestables se transforman en otras más estables (y estas a su vez en otras más estables, en una cadena o serie de desintegraciones que se producen actualmente y durante toda la historia pasada del Universo, como se anotó) emitiendo las partículas neutrínicas de diversa masa (espectro neutrínico )y diversas velocidades. Según la energía desprendida por tales partículas inestables  en nuestros neutrinos, estos pueden salir de las estrellas en una gama de velocidades y direcciones muy amplia. Algunos neutrinos de alta velocidad escaparán al espacio exterior galáctico (superan la velocidad de escape);  otros se quedan atrapados en forma de satélites alrededor del centro galáctico (más que satélites curvilíneos como elipses  o círculos, son satélites radiales, oscilando en línea, pasando por el centro estelar alejándose y acercándose) e incluso alrededor del centro de estrellas masivas ; otros se dirigen a los centros de atracción gravitatoria pero  “cruzando las estrellas como si nada, salvo esas improbables colisiones” (si pasan por el centro, se convierten en osciladores gravitatorios). La producción de neutrinos en el centro galáctico o en estrellas no tiene dirección privilegiada: No se produce en la  dirección del disco galáctico o en el disco de materia alrededor de una estrella. Los neutrinos salen “radialmente” (probabilística y simétricamente)   hacia todas las direcciones del espacio, tanto los neutrinos que se quedan oscilando y pasando por el centro, como los que se escapan : Forman una inmensa esfera de materia “en movimiento” no visible alrededor del centro de atracción (galáctico o estelar o, no mencionado recientemente, centro de cúmulos galácticos).  Por otra parte, la emisión de neutrinos desde los centros galácticos o estelares, provoca que la masa de tales centros vaya disminuyendo con el tiempo (aunque con un ritmo muy lento dada la poca masa de estas partículas y, contrariamente, es muy abundante  el número de desintegraciones por segundo en tan enormes hornos astrales) y la densidad de los neutrinos que se quedan orbitando (como ya he dicho, porque su velocidad no supera la velocidad de escape desde  los centros estelares) va aumentando. 

Respecto al tiempo que pasa, las desintegraciones internas en las estrellas provocan que las masas de tales estrellas disminuyan (la masa central de la galaxia M disminuye) pero aumentan los haces de neutrinos y la densidad de la materia oscura (aumenta “d”) : En la expresión de la velocidad angular  (dentro de la raíz cuadrada)  de la galaxia (o una estrella o un cúmulo de galaxias) , el término de Kepler(GM/r3) va disminuyendo  lentamente   y el término de la esfera sólida  de materia oscura (4/3piG d ) va aumentando.  Con el tiempo, el centro galáctico va frenando su giro  y  el disco galáctico va aumentado su velocidad , tendiendo en el futuro lejano a cierta igualdad o normalización.  Se anota también, que la justificación de la velocidad angular del disco externo visible de la galaxia está ligada al valor de la densidad promedio de materia oscura  cuyo valor no puedo determinar pero puede ser bajo o alto en función de la edad de la galaxia (desde que comenzaron las emisiones por parte de las partículas de alta energía en el corazón de galaxias y estrellas). Tal velocidad angular de rotación o tal densidad de materia oscura son un indicativo de la edad de la galaxia o de la estrella  , pues, a mayor edad más cantidad de materia oscura retenible se tiene en el espacio interastral de materia ordinaria. Esta materia oscura no se repele a sí misma como la materia ordinaria, pues al ser partículas neutras pueden aparecer confinadas gran cantidad en poco espacio. Además, la materia oscura o neutrínica no forma estructuras como la materia ordinaria sino “haces de partículas en movimiento” que simplemente rellenan el espacio y atraviesan la materia ordinaria,” como si se tratase” de materia de un universo paralelo que no interacciona apenas con nuestra materia ordinaria (naturalmente, esto es un simple símil).No forman estructuras porque no se atraen ni se repelen electromagnéticamente ni forman átomos.  Como mucho, una ligera y ridícula atracción gravitatoria que no llega a nada tangible.

Por último, dado el carácter neutro de los cuantos de materia oscura, para no absorber/ceder fotones y dejarse ver de alguna manera, se podrían proponer otros candidatos de la teoría de partículas distintos de los neutrinos. Por un lado, los neutrones son neutros pero es una partícula compuesta de protón y electrón y se deshace fácilmente (tiempo promedio de 15 minutos). Los fotones, que son neutros, no  forman materia oscura ya que excitan nuestra retina o nuestros aparatos receptores de ondas EM  y forman imágenes. Los bosones de las interacciones nucleares solamente existen confinados en tales lugares. Los gravitones podrían competir en autoría de la materia oscura pero se verá en otro artículo el verdadero papel de estas misteriosas e indetectables partículas no materiales.

 -El problema de la “fluctuación de los neutrinos”.  

Dentro de la clasificación de las partículas fundamentales tenemos los bosones que solamente existen viajando a la velocidad lumínica y los fermiones con presencia física en reposo (poseen masa en reposo) y que viajan en el tiempo-espacio a una determinada velocidad (menor que C) dependiente de la energía cinética. Los fermiones pueden tener carga eléctrica de manera que sus saltos energéticos son transportados por los mencionados bosones como los fotones y dichos fotones pueden materializarse para generar fermiones de una amplia gama de energías/masas. Existen otras partículas materiales sin carga eléctrica cuyo origen está en la desintegración de partículas fermiónicas altamente inestables que muy rápidamente se estabilizan expulsando las partículas protagonistas  de este artículo : Los neutrinos. El origen histórico del término “neutrino” lo encontramos en el físico Pauli , que sospechó de su existencia en el análisis de la desintegración del neutrón libre (que es inestable fuera del núcleo atómico con una vida media de unos 15 minutos) debido a que las cantidades de movimiento de las partículas intervinientes (neutrón, protón y electrón) aparentemente no se conservaban. Propuso la existencia de una pequeña partícula (la de menor masa encontrada, mucho menor que la del electrón) neutra que hiciese cuadrar los principios de conservación. Desde entonces, se han encontrado  (además del neutrino electrónico de Pauli), el neutrino muónico de mayor masa y el neutrino tauónico de mucho mayor masa, todas partículas estables y con masas de reposo bien definidas , aunque naturalmente, con masas inerciales de movimiento totalmente variables y dependiente de la velocidad con que surge de la desintegración, cumpliéndose la ecuación de Einstein :  m(v)=mo/Raiz(1-V2/C2) .La energía total correspondiente será :E(v) =moC2/Raiz(1-V2/C2)   Esta ley es clave para comprender el espectro de partículas y energías de los neutrinos producidos por una estrella como el Sol .  Cuando se produce un  partícula con alta energía interna individual en el corazón de las estrellas entonces aquella se transforma en otra más estable de menor masa expulsando neutrinos en dicho proceso de descomposición donde deben cumplirse la conservación masa-energía, la carga eléctrica y la cantidad de movimiento, causa por la cual se descubrieron tales escurridizas partículas. Los neutrinos producidos pueden ser de tipo “electrónico” (de masa inercial muchísimo más pequeña que el electrón )para pequeñas variaciones de masa o cantidad de movimiento  o bien, de tipo “muónico”  ( de masa menor que el electrón) o en extremo, de valores másico-dinámicos mucho mayores  , en neutrinos tauónicos ( de masa mucho mayor que el electrón, unas 200 veces). Se determinó la producción de neutrinos electrónicos en el corazón del Sol que , tras su viaje a grandes velocidades ,  llegaría hasta la Tierra donde se intentaría medir dicho flujo. El denominado “problema de la transformación de los neutrinos u oscilación de neutrinos ” expresa la discordancia entre las medidas de flujo neutrínico tipo electrónico que se debería producir en el corazón del Sol y el medido aquí en la Tierra donde se mide un flujo mucho menor (la tercera parte). La primera hipótesis  que intenta explicar tal incoherencia nos dice que los neutrinos electrónicos se transforman en muónicos y tauónicos durante el traslado de los mismos hacia la Tierra (tales tipos de neutrinos no son registrados aquí en la Tierra por el método en concreto produciéndose un defecto de neutrinos electrónicos en tales medidas). Tal hipótesis parece sorprendente cuanto que una partícula material fermiònica  estable libre que sale a cierta velocidad del Sol, se trasforme en otra de mayor masa. Esto supone que la energía cinética de dichas partículas se transforme en energía inercial de reposo fenómeno no observado en los experimentos. Como mucho, se conoce (experimento de Bertozzi ) la transformación de la energía en masa inercial de movimiento pero no que se materialice en partículas nuevas de mayor masa interna. Este artículo propone otra hipótesis que se basa en que la discordancia entre las medidas del flujo de neutrinos electrónicos solares y los medidos aquí en la Tierra tiene como fundamento en que realmente, la producción de neutrinos en el Sol no son al 100% de tipo electrónico sino la población de neutrinos producidos en el Sol se reparte en los tres tipos de neutrinos y, por tanto, ya se produce la distinción desde el primer momento. El error estaría en que la producción de neutrinos no se refiere al tipo electrónico al 100% sino que hay un porcentaje reservado a los otros tipos. Los tres tipos de neutrinos partirían desde el corazón del sol y viajarían por el espacio independientes sin decaer ni aumentar la masa interna, hasta llegar, por ejemplo, a la Tierra. Véase el capítulo correspondiente en Astrofísica, apartado sobre “producción de neutrinos y fluctuación”.

f)  Materia antimateria (electromagnética y oscura). Propuesta de Hoyle y la nueva propuesta. Neutrinos y antineutrinos.        

       Paul Dirac descubrió teóricamente la existencia de partículas simétricas a las que constituyen la materia nuestra ordinaria  denominadas  “antipartículas”. Poseen la misma masa que las partículas ordinarias pero tienen  carga eléctrica justamente opuesta. La antipartícula del protón es el antiprotón, la antipartícula del electrón es el positrón. La antipartícula del neutrón o antineutrón está formada por un asociación a distancia intraneutrónica entre un antiprotón y un positrón. En general, cualquier partícula estable o inestable ( partícula muón , sigma, omega, etc) tiene su réplica antipartícula que es exactamente igual en masa, opuesta en carga con la misma inestabilidad (mismo tiempo de desintegración) y se desintegra en las mismas partículas pero opuestas. Si en el laboratorio se confirmó la existencia de estas antipartículas (aunque son efímeras pues al interaccionar con las partículas materiales ordinarias, se aniquilan mutuamente ) ,¿dónde puede haber antimateria natural en el Universo que pueda sobrevivir frente a la materia ordinaria? Según esta propiedad del par materia-antimateria de aniquilarse mutuamente con altísima tendencia , el origen de las partículas materiales que se conoce es el de tal  materialización de bosones en partícula/antipartícula, ¿Dónde debería estar esa antimateria generada a la vez que la materia nuestra que nos rodea?  Hoyle propuso que la antimateria queda alojada en el centro de las galaxias pero tal ubicación requiere que la parte material quede aislada de la antimaterial, por lo menos, a la altura de la actualidad cuando no observamos los cataclismos energéticos que deberían registrarse al colisionar estrellas enteras de materia con estrellas enteras de antimateria, cuya energía desprendida es colosal aunque inobservable desde el centro de las galaxias hasta nosotros .La teoría del origen esférico del Universo que se expone más adelante propone que  la superficie esférica original formada por bosones originarios se separa macroscópicamente en dos hemisuperficies esféricas concéntricas, una material que se expande hacia las afueras y otra  antimaterial que implosiona hacia adentro . Lo que identifica visiblemente la antimateria con sus antigalaxias de la materia con sus galaxias es ,precisamente, la colisión entre ambas con la producción de una fantástica  cantidad de energía , fenómeno que no se observa y que no corresponde a la realidad astronómica que registramos (es decir, no observamos tales cataclismos aniquiladores de materia con antimateria) .Microscópicamente, el bosón se descompone en una partícula que forma parte de la superficie material expansiva y en una antipartícula que pertenecería a la superficie antimaterial implosionante. Existe una teoría que trata de explicar la existencia de materia y la inexistencia de antimateria a través de un mecanismo cuántico asimétrico de formación de partículas que no se corrobora con los experimentos ya que la producción de partículas cargadas nuevas supone la producción de antipartículas cargadas con signo opuesto en la exacta misma proporción. La alternativa es admitir que existe antimateria en la misma proporción que la materia pero debemos encontrar su ubicación ,asunto que trata la teoría del origen superficial del Universo que deduce de su modelo que dicha antimateria forma un hemiuniverso interno que se va contrayendo  y que se dirige al centro universal, separadamente de la materia y explicando así dos puntos: La existencia natural de antimateria (simetría de formación partícula/antipartícula) , ubicación separada de la materia y, además, dirigiéndose  a zonas opuestas a  la nuestra y , por añadidura, no colisionarán , por ahora. Nuestro hemiuniverso material se expande hacia el espacio abierto (pertenecemos a esta parte porque observamos el alejamiento galáctico,  descubierto por Hubble) y el hemiuniverso antimaterial se extiende en el espacio interior contrayéndose hacia el centro universal. Esta parte del Universo tiene tendencia a la aceleración de caída al centro por inercia-gravedad  y nuestra mitad material del Universo tiende a la expansión casi uniforme, como Hubble descubrió. Tanto las partículas materiales (altamente energéticas e inestables) de nuestro hemiuniverso material expansivo como las partículas antimateriales (altamente energéticas e inestables) del hemiuniverso antimaterial implosivo , producen en su desintegración partículas neutras “neutrinos/antineutrinos” formando “materia oscura material/antimaterial” . No obstante, podemos sospechar que los neutrinos y antineutrinos son las mismas partículas por la siguiente razón: Una partícula material tiene su correspondiente partícula antimaterial con la propiedad básica de que se aniquilan mutuamente de manera que en tal acto ambos se transforman en un par de fotones pero sabemos que el fotón está íntimamente unido a las separaciones y uniones entre partículas fermiónicas “con carga eléctrica”; así pues, la colisión de un neutrino y un supuesto antineutrino , por ser partículas neutras, no puede tener involucrado a ningún fotón y por ello, no se produce ninguna aniquilación sino una simple colisión Compton. Así pues esta es la razón por la que un neutrino equivale a su antineutrino y no se aniquilan para formar fotones (es una auténtica partícula estable indefinidamente).Los neutrinos solo pueden cambiar si son absorbidos por colisión directa y poco probable con una partícula fermiónica cargada, que expulsaría  de nuevo por inestabilidad. A partir de los componentes fundamentales del antiprotón y del positrón, se forma la antimateria electromagnética de partículas con carga formándose el antineutrón y  este junto con el antiprotón  forman los antinúcleos de diversa complejidad creciente originando la serie de antiátomos de los antielementos (paralelamente a la historia natural de la materia).Los positrones de alta energía caen a las órbitas más bajas dejando escapar fotones en un fenómeno denominado “desacoplamiento electromagnético de los fotones” idéntico al correspondiente en la formación de átomos. En este momento, la luz emitida por la materia y por la antimateria ofrece la primera imagen óptica o electromagnética del Universo primitivo aunque esta ráfaga de ondas electromagnéticas o fotones nadie las va a percibir (no han aparecido los ojos aún) ni nadie las percibirá porque se expande al infinito del espacio vacío para perderse para siempre (el Universo no es un agujero negro que reabsorbe la luz emitida al exterior haciéndola regresar). La única opción para que lleguen a la Tierra  imágenes del nacimiento del Universo es en el modelo de origen esférico (y  ¡no! , en el modelo puntual de Lemaître ) siempre que la protoesfera inicial universal sea lo suficientemente grande (como ya veremos) para que  la luz tarde cierto tiempo en alcanzarnos en estos tiempos de tecnología telescópica y de ojos atentos a los cierlos. Más adelante, después de formarse las antiestrellas (o mientras)se formaron los antiplanetas o antiastros fríos donde se emitieron más fotones para que se enlazaran los antiátomos, antimoléculas y anticristales, gases ,líquidos o sólidos, en general la antimateria electromagnética, exactamente idéntica en apariencia física a la materia ordinaria. Durante el proceso de desintegración de las antipartículas iniciales hasta llegar a las antipartículas estables, se expelieron antineutrinos (equivalente a los neutrinos) más o menos másicos y más o menos rápidas que se alojaron alrededor de la antimateria electromagnética pero que, al ser partículas neutras, no son sensibles a los fotones pues ni absorbe ni cede fotones , dejando pasar la luz a su través sin afectarse mutuamente y , por ello, más que antimateria oscura es antimateria transparente, simétrica a la materia oscura o transparente de nuestro Universo material). Esta antimateria oscura viaja en haces alrededor de la antimateria EM. La misma fenomenología posee la antimateria electromagnética y la oscura que la materia ordinaria electromagnética y oscura, indistinguibles ópticamente (o electromagnéticamente) así mismo como gravitatoriamente. Solamente podemos darnos cuenta de su distinción cuando ambas , materia electromagnética y antimateria electromagnética, coinciden en la aniquilación para generar una fantástica cantidad de energía, la máxima expresión de la producción energética ya que desaparece íntegramente la masa de todos las partículas iniciales dando lugar a energía radiativa pura. Pero esto, como veremos en el modelo de origen esférico del Universo, no es posible, porque los destinos de ambos tipos de materia son diametralmente opuesto, por el momento o a corto-medio plazo.

                     g)Materia inestable por partículas exóticas o por núcleos grandes.      

       Cuando un sistema material acumula mucha energía (sea en forma de masa o de energía cinética o potencial interactiva) en poco espacio como un punto físico, esta tiene una altísima tendencia a su expansión por el espacio (principio de dispersión, desde baja entropía o alta concentración hasta altas entropías o bajas concentraciones tendiendo a uniformar el espacio). Como primer ejemplo tenemos las partículas exóticas de altas masas-energías que se generan en los laboratorios por colisiones o en las estrellas  o en los rayos cósmicos por colisiones o en el origen del Universo. Recuérdense los mesones, los hiperones o los leptones pesados que son muy inestables y duran muy poco desintegrándose, expulsando neutrinos diversos y convirtiéndose al final en las conocidas partículas estables. Esas partículas no pueden formar materia estable y no existen actualmente a nuestro alrededor sino que existen instantáneamente en los laboratorios o instantáneamente en los centros estelares o en los primeros microsegundos en el origen del Universo. Dependiendo de las constantes cosmológicos de inicio del Universo, se originaron partículas exóticas de mayor o menor masa pero al final desembocaron en las actuales partículas estables.  Una vez que el Universo evoluciona microscópicamente se forman los neutrones (de aceptable estabilidad, sobre todo dentro de los núcleos) y los primeros núcleos atómicos de baja masa que tienden a la fusión nuclear para formar mucho más adelante a los núcleos pesados. Estos adquieren mayor estabilidad en configuraciones nucleares próximas al hierro mientras que al formarse núcleos mucho más pesados en el corazón de las estrellas y en circunstancias especiales, se forma un tipo de materia que posee cierta estabilidad (menor que la materia normal que nos rodea pero mucho mayor que las partículas exóticas): Es la materia radiactiva. Esta materia está formada por núcleos grandes que tienden a desprenderse de parte de sus partículas (sean materiales como protones, partículas alfa, neutrones, electrones nucleares, o sean radiativas como los rayos gamma) para adquirir de nuevo la estabilidad de los núcleos más estables del sistema periódico(la radiactividad). Esto se verá en Física Nuclear más adelante. Todo lo anotado en este apartado es absolutamente válido y paralelo para antipartículas exóticas, antineutrones, antinúcleos que experimentan fenómenos paralelos (fusiones, fisiones y radiactividad). Para las partículas fundamentales individuales exóticas se tiene un baremo de estabilidad interna dado por las masas cuánticas estables del electrón/positrón, protón/antiprotón y los tres neutrinos .Fuera de tales masas, se tiene inestabilidad y dichas partículas se desintegran hacia las estables de menor masa que ellas. En el mundo de los núcleos atómicos, los núcleos pequeños tienden a fusionarse para estabilizarse mejor y los núcleos mayores tienden desintegrarse radiactivamente para estabilizarse (o poseen una fácil fisión o división). También existen límites superiores a la existencia de núcleos (y sus elementos correspondientes) ya que los núcleos adquieren al final forma de superficies esféricas por repulsión eléctrica de protones aunque permanecen unidos localmente por atracciones fuertes vecinales. Al crecer el número de partículas del núcleo, las uniones por interacción fuerte, aunque más intensas pero de ámbito corto, pierden protagonismo atractivo ya que la repulsión eléctrica a larga distancia de todos contra todos va creciendo, de manera que ya no encontramos núcleos en la naturaleza de más de z=100, y los artificiales mayores que estos duran cada vez menos cuanto son mayores sus nº atómicos.

 h) Las hipotéticas partículas simétricas y la radiomateria simétrica (hipotético tercer estado del Universo).    *Capítulo especulativo, no fundamentado.

En el origen universal, mientras cada punto vacío fluctuó para generar un bosón original que ,a su vez, se escindió por materialización en una partícula y una antipartícula (1ª simetría )para que el Universo pasara de su estado de Nada al estado de radiomateria actual.¿Oué puede ocurrir con las partículas estables actuales que gozan de una estabilidad aparentemente sin límite? Aún no se han detectado protones que se descompongan en otras partículas ni tampoco electrones (por analogía se supone que tampoco pasa nada con los antiprotones o los positrones) que se desintegren. Junto con los neutrinos y salvo los fenómenos de aniquilación o captura neutrínica, estas partículas son absolutamente estables. Cabe una posibilidad para dudar de su estabilidad y es la de suponer que su “vida media”(o su periodo de semidesintegración) es tan largo y la historia de nuestra investigación científica es tan corta que aún no detectamos ni el mínimo hallazgo de tal inestabilidad. Si el protón (o el electrón) tuviera una leve inestabilidad, con una vida media excelentemente larga, al menos, estadísticamente, deberíamos haber descubierto algún protón o electrón que se descomponga en otra partícula de menor masa, más estable aún. Pero como ni siquiera hemos encontrado una partícula de igual carga y menor masa, ni siquiera una, esto significa que hemos dado con una firme muralla o condición cuántica fuerte que nos imponen las leyes físicas .La materia electromagnética se sustenta en su estado estable corpuscularmente en dos pares de partículas: Carga negativa y masa menor, denominada electrón   y   carga positiva y masa mayor, denominado protón, ambas forman la materia ordinaria  ;   carga positiva y masa menor, es el positrón   y   carga negativa y masa mayor, denominado antiprotón , ambas forman la materia antimateria.  La estabilidad de ambas partes es absoluta ,con vida media infinita, salvo que ambas formas de materia se encuentren para aniquilase mutuamente y  formar fotones de alta energía.       Mientras no encontremos un protón o un electrón que se desintegren en algo inferior en masa debemos admitir que ,desde un punto de vista microscópico, a nivel de partículas individuales, el Universo no es más que un juego de vaivenes de protones, electrones y bosones (idem para la antimateria entre antiprotones, positrones y bosones).Respecto a los neutrinos ocurre lo mismo ya que tales partículas, neutras, también son absolutamente estables. Todo ello válido siempre y cuando no se encuentren las partículas y sus antipartículas. En este encuentro (veremos en el nuevo modelo de Universo) las partículas y antipartículas se aniquilarían para originar bosones y estos a su vez pueden originar fermiones. Definitivamente, en esta mezcla de todo con todo, tendremos unas continuas transformaciones de todo con todo. Si encontrásemos al menos algunos pocos fermiones que se desintegren, aún siendo su vida “media”   muy larga, cabe la remota posibilidad de que el Universo se transforme radicalmente de nuevo, desde un Universo en estado de Nada a un Universo  radiomaterial actual y al final desde este en otro Universo con otro tipo de partículas a las que podríamos llamar ,en principio, “partículas simétricas” y al nuevo Universo, “Universo simétrico”. Dejando escapar la imaginación, quizás este estado regrese de alguna manera al Universo de Nada, cerrando el ciclo Universal. Pero estos últimos renglones son pura especulación sin fundamento pues no hemos encontrado en el laboratorio y en los medios naturales ninguna partícula estable positiva menor que el protón y ninguna partícula estable negativa menor que el electrón (si no hemos encontrado esto en tantísima  masa como nos rodea, mucho menos en las pocas antipartículas que producimos). Solo podemos esperar que un protón se desintegre al encontrarse con un antiprotón de manera que microscópicamente nuestro Universo no va a cambiar aunque sí podría cambiar macroscópicamente, a nivel de grandes estructuras, como se verá en un capítulo posterior.

               2.5.La radiación :Tipos de radiaciones.                  

        -La radiación  ( su propagación a la velocidad límite relativista y su naturaleza cuántica).  

                Mientras que las partículas fermiónicas electromagnéticas o dotadas de carga eléctrica son las constituyentes de la materia ordinaria ( y de la materia antimateria ) y las partículas fermiónicas neutras o neutrinos constituyen haces con debilísima cohesión gravitatoria interna , las partículas bosónicas no son detectables en reposo ( quedan prácticamente confinadas a distancias y tiempos de Planck mínimos para establecer las interacciones fuerte y débil, o por otra parte generar partículas) o bien, si son detectables (por emisión/absorción entre pares electrón-protón, o su par antipartículas), siempre ocurre que el cociente entre la distancia que avanza desde el foco y el tiempo invertido es una constante universal C = 3 exp8  m/s  que además es la máxima velocidad medible en la naturaleza (fundamento de la relatividad especial). Por esta razón, por la limitación de la velocidad de estas señales ópticas, la medida del tiempo ( y todas las demás magnitudes cinemáticas en la geometría tetradimensional del espacio-tiempo ) se verá distorsionada bajo el carácter relativista que posee. Si la radiación (luz) tuviera una propagación de velocidad infinita , o bien, siendo finita no fuese la máxima velocidad natural, la realidad física ( la orilla de la esencia física, la parte de la física del Universo tal como la vivimos con nuestros sentidos y aparatos de medida)   sería absolutamente inasumible. Si la velocidad de los fotones fuese infinita, toda la información de todo el Universo en un mismo instante llegaría a la vez, superponiéndose en una imagen absolutamente irreconocible (sería un fogonazo de energía infinita por interferencia simultánea de toda la luz del universo) . Si siendo tal velocidad finita, permitiendo ver los objetos más cercanos ( omitiendo los más lejanos por “zona inobservada instantánea”)     pero dicha velocidad fuera menor que el movimiento de muchos objetos o partículas fermiónicas, tendríamos que el objeto del cual se  debe informar estaría a nuestro pies antes que la señal óptica que pretende informarnos. Si queremos estudiar un astro o intentar “observar” un cuerpo, en el caso de que dicho cuerpo o astro viniera hacia nosotros a mayor velocidad que la señal luminosa no nos enteraríamos de los mismos salvo por la colisión (interacción electrostática, desagradable) que sufriríamos. Estaríamos inmerso en un universo ópticamente ciego en muchos casos. Más aún , si respecto a un mismo sistema de referencia la luz fuese el viajero más rápido del universo  (solucionando el problema anterior) ,tan solamente cambiando de sistema de referencia y sumando velocidades, según la relatividad clásica, volvemos a tener el mismo problema porque podemos lanzar objetos con velocidades respecto a un sistema de referencia y sumarle la velocidad de este y superar a la luz  , con lo cual podemos tener “observaciones ciegas “ como antes. Por ello, para preservar el principio antrópico por el cual el observador consciente del Universo ( ser evolucionado con receptores ópticos y  con mente que estudia el mundo que le rodea)  tiene como realidad física la que realmente tiene ( esta es la base experimental auténtica de toda la física), no tiene más remedio que admitirse que la señal más valiosa que existe, las ondas electromagnéticas y sus fotones, viajan a una velocidad finita y máxima natural para todos los sistemas de referencia (inerciales o no inerciales ) , principio relativista especial y general, que el señor Einstein colocó como base de toda su física, acertando de pleno como una auténtica ley natural fundamental   aunque tuviera como “inconveniente” que al utilizar señales ópticas para registrar sucesos (posiciones e instantes)  la medida del espacio y del tiempo fuesen relativas y, además, con distorsiones en sus medidas (dilataciones y contracciones de ambas medidas) , debido al límite máximo universal (para todos los sistemas de referencia) de la velocidad de la luz, aunque respetando un aspecto importante en la evaluación del tiempo : El orden causa-efecto será registrado con luces también en el mismo orden.  Ahora toca turno a la otra gran teoría física engendrada en el siglo XX : La Física Cuántica. A nivel macroscópico de amplias distancias y tiempos, podemos observar que los movimientos  se suceden de manera que las energías cinéticas se transforman en energías potenciales y, viceversa ,de forma continua. Un cuerpo en su evolución conjunta o global, puede estar sometido a campos de fuerza (gravitatorios o    electromagnéticos) e invertir su energía cinética en potencial y viceversa ,de forma que se dice que se conserva la energía mecánica macroscópica del mismo. Puede ocurrir que parte de esa energía mecánica macroscópica “se disipe” en energía cinética microscópica de millones de partículas ( transformación de la e. mecánica en calor, rozamientos) o  en energías potenciales internas (deformaciones, reacciones químicas).En este caso, no se conserva la energía mecánica macroscópica pero,  al menos, se conserva la energía total (macroscópica y microscópica de todos los cuerpos). Sin embargo, a niveles microscópicos y no de forma colectiva sino “individualmente”, “cuánticamente”, las partículas (sobre todo los electrones), sufren bruscos saltos de energía  porque se encuentran en campos eléctricos intensísimos (muy cerca de los núcleos  con escalones bruscos de potenciales energéticos  o por colisión brutal  entre partículas cargadas) . Las variaciones de energía de las partículas en tan reducido espacio y tiempo, no se destinan a conservar la energía mecánica de las mismas sino que dichos pares de partículas protagonistas (protón y/o electrón) sufren “saltos cuánticos” de energía mecánica cuyo contenido sale o entra de dicho par en forma de  partícula radiativa que huye de las partículas materiales a la máxima velocidad universal natural y llevar dicha energía a otro par electrón/protón  que se encuentre casualmente por el camino. Son partículas que poseen energía, naturalmente, pero no existen en reposo sino a la única velocidad que conocen tales partículas bosónicas libres o fotones, la velocidad de la luz. Este es su aspecto corpuscular pues en grandes cantidades irradiadas en todas direcciones ( en un par protón-electrón,  el fotón emergente tiene una única dirección recta  bastante indeterminada para ser medida porque también son  indeterminadas las posiciones y velocidades  del mencionado par de partículas que lo genera) a partir de cualquier muestra de material macroscópico, estadísticamente tenemos un denso haz de fotones que se expande radial y simétricamente hacia todas las direcciones del espacio. Este haz se abre al espacio, disminuyendo la densidad superficial (o flujo fotónico por la superficie esférica concéntrica), de manera que tal densidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, como corresponde a la ley de intensidad de las ondas. Aquí empieza a asemejarse la luz como haz de partículas a las ondas mecánicas, pero su naturaleza es totalmente distinta : La onda mecánica es una transmisión de energía eléctrica de partícula material en partícula material (conservándose la energía mecánica) a través de un medio material elástico que vibra mientras que la radiación es el transporte colectivo radial de una ingente cantidad de fotones o partículas de energía que saltan de un lugar donde ha habido una energía concentrada intensísima o un cambio de energía muy brusco , para llegar a otro sitio donde va a producir este mismo salto de energía brusco ,inverso y puntual; la energía mecánica  no se conserva pero la energía en su totalidad sí. La energía mecánica inicial del par de partículas en interacción EM es igual a la energía mecánica final más la energía del fotón evacuado. El haz de fotones en su conjunto se comporta de forma análoga a las ondas  y dado que el origen de los fotones es el salto cuántico de energía electromagnética de partículas cargadas, a estas ondas se las puede denominar ondas electromagnéticas, ya que transporta precisamente esos saltos de energías.                      

Regresemos a la “realidad física”. Si  los electrones viajasen alrededor de los átomos transformando al pie de la letra sus energías cinéticas en e. potenciales eléctricas (al salir) o al revés (al acercarse al núcleo) , no existirían estas partículas o fotones que nos informan fielmente de la realidad que nos rodea llena de “imágenes” con formas y colores, no sería nuestra realidad física: Sería, una vez más, un universo cegado. Por tanto, el carácter cuántico de la energía en esos fenómenos está plenamente contrastado con dicha realidad física. Otra consecuencia de esto es que los movimientos de los electrones en la corteza de los átomos no siguen trayectorias como los cometas alrededor del Sol sino que , como muy bien anotó  Bohr para el átomo de hidrógeno, existen órbitas cuantizadas para que hayan saltos cuantizados y salidas y llegadas de fotones. Si queremos tener información a distancia de la materia, es decir, que exista radiación, a niveles microscópicos las partículas ganan/pierden energía mecánica a saltos que se evacuan al exterior ( o llegan desde el exterior) a través del cuanto de radiación o bosón fotón ; además, dichos fotones ( en conjunto dicha radiación) deben  viajar a la máxima velocidad natural que es la misma para todos los sistemas inerciales y no inerciales  ( “principio conjunto cuántico-relativista”) para no ser atrapados por la propia materia inmediatamente y nunca salir del átomo. La prueba de esto es la realidad física tal como la conocemos.  La radiación formada a partir de puntos físicos en el espacio dotados de energía proveniente de saltos bruscos (altísimas cambios energéticos por altísimos campos eléctricos, extensibles probablemente a saltos gravitatorios con bosones gravitones, en desplazamientos cuasipuntuales y cuasiinstantáneos), en los valores de las energías mecánicas de partículas fermiónicas  cargadas ,  para luego trasladarse a la velocidad reservada para tales partículas físicas o bosones de “c”, pueden ser de tres tipos generales , respondiendo a una organización cósmica análoga con las interacciones físicas: Radiación de 1º orden , radiación de 2º orden y radiación de 3º orden.  Todas estas radiaciones, representadas en su cuanto energético o bosón, están ordenadas en una escala de energías  ( escala de Planck) que va desde la energía “cero” del punto físico en estado de “vacío” a la “energía límite superior de Planck”,  pasando en órdenes energéticos por los gravitones, fotones poco o medianamente energéticos ( espectro electromagnético hasta  los fotones gamma ), los bosones creadores de diversas partículas estables con mayor/menor velocidad ( de fermiones neutrinos, de fermiones electromagnéticos lentos o rápidos) , los bosones de alta energía creadores de partículas inestables y altamente inestables (de grandes masas internas con velocidades más lentas o más rápidas) hasta el ya mencionado límite de Planck. Los tipos de radiaciones según su propagación o relación con el espacio-tiempo son los siguientes:

- Radiación de 1º orden : El bosón puntual e instantáneo  H creador de partículas fermiónicas.  

       

         Los bosones que se han formado por algún proceso físico anterior a su formación (colisiones de altísima energía como las colisiones de los protones en los laboratorios, las colisiones de los rayos cósmicos en la atmósfera, y en todo caso, procesos cuánticos en poco espacio-tiempo o bruscos, que hacen saltar discretamente  los valores de las e. mecánicas ) que poseen energía suficiente para igualar y superar a las masas inerciales (de reposo y de movimiento) de ciertas partículas, logran materializarse en dos partículas idénticas en masa y carga pero signos opuestos. Es decir, este proceso transforma el salto cuántico de energía mecánica de las partículas en colisión, en un par de partícula/antipartícula , teniendo como “puente instantáneo en el centro de masas de las partículas anteriores” , la aparición /desaparición súbita (en punto de Planck y en tiempo , como muy poco, tiempo de Planck) de un bosón creador de partículas , bosón H. Son bosones espaciales porque aparecen en un punto totalmente concreto, el centro de masas del sistema de partículas que previamente lo crea con sus saltos de energía mecánica, pero son altamente inestables y son prácticamente indetectables (primero por su cortísimo tiempo de duración, el tiempo mínimo de Planck; segundo porque no tienen carga eléctrica ) . Son bosones del espacio pero no del tiempo (bosones instantáneos), no constituyendo radiación alguna .  

  

- Radiación de 2º orden : Radiación puntual y confinada de los bosones nucleares.

            El segundo orden de radiación lo constituyen los bosones generados por las interacciones fuerte y débil confinadas entre los pares protón-protón y protón-electrón  dentro de los núcleos atómicos (como, por ejemplo, el más simple, el neutrón). Los saltos de energía que sufren estas partículas al adquirir cuánticamente (repetimos, bruscamente ,porque a esos niveles tan ínfimos de distancias-tiempos, los campos son tan superintensos  que ya las energías cinética-potencial no se transforman clásicamente sino en un par de bosones gauge absorbidos/desprendidos) dos posiciones discretas, hacen crear en su centro de masas un par de bosones opuestos que se dirigen opuestamente a cada partícula en la fase en la que ambas ganan energía mecánica  y desaparecen para transformarse en la energía mecánica que necesitan ambas partículas cargadas para regresar al punto de partida provocando las oscilaciones protón-protón en la interacción electro-fuerte  y protón- electrón en la interacción electro- débil . Recuérdese que las oscilaciones no se deben a las interacciones fuerte o débil, sino combinadas con la interacción electrostática, es decir, interacciones electrofuerte y electrodébil, sintéticamente dentro de la dinámica nuclear, interacciones electronucleares. En estos sistemas nucleares, los bosones de la interacción fuerte o “gluones” se encuentran confinados en la línea de unión monodimensional de dicha interacción pero tiene un tiempo de existencia temporal corto alrededor del centro de masas. Igualmente, los bosones de la interacción débil o “debilones” se encuentran en la línea de unión protón-electrón orbital en el plano bidimensional de órbita. En estos dos tipos de bosones, el espacio-tiempo de actuación es muchísimos más amplio que en el de 1º orden   del bosón H, pero siguen estando confinados dentro de un reducido espacio de valor “la distancia de confinamiento nuclear” del orden del fermi o menos  y no constituyen una verdadera radiación, sino una microrradiación local confinada entre pares de cargas (a modo de láser dibosónico). 

       

-Radiación de 3º orden :Radiación electromagnética libre (el espectro electromagnético de fotones) y radiación gravitatoria (gravitones).           

                                                                                                                     

      El origen de los bosones de este orden es la expulsión /absorción de fotones o cuantos de energía de radiación desde un sistema de partículas cargadas (una positiva, el protón ; otra negativa, el electrón ; para la antimateria, signos opuestos) o hacia un sistema de partículas cargadas de manera que tales bosones logran ser liberados del correspondiente sistema material y desplazarse a la velocidad de la luz en todas direcciones (radialmente) hasta que sea reabsorbido por otro sistema material más lejano siendo una verdadera radiación por desplazamiento masivo de partículas energéticas y libres mientras se desplaza. El nombre reservado a este bosón es el de “fotón”. Es la partícula intermediaria o transportadora de los saltos de energía mecánica sufridos en un sistema físico (núcleos con la radiación gamma , cortezas atómicas con toda clase de radiaciones del espectro EM) de forma que si en el sistema físico origen se produce un cambio brusco de energía mecánica (que básicamente siempre sería un salto relativo de estados entre un protón-electrón en la corteza, electrones en campos eléctricos intensos, en todo caso, cambios en poco espacio-tiempo) se produciría en el centro de masas una partícula que se desplazaría hacia las afueras  del sistema en una dirección concreta determinada por las leyes de conservación de la energía y la cantidad de movimiento (y exactamente a la archiconocida velocidad “c “) , manteniéndose estable en su camino ( con la energía igual al salto de energías producido y con masa solo en movimiento correspondiente m=E/C2, sin carga eléctrica) , hasta encontrarse con otro sistema protón-electrón    ( o cargas en general) para transformarse de nuevo en un salto de energía mecánica brusca o cuántica ( se dice que el fotón ha sido absorbido). El fotón se considera una partícula estable mientras no se encuentre con un par de  cargas eléctricas (amén que un fotón no suele tener una larga historia en el pasado de la historia natural como sí son longevos los protones, electrones y neutrinos, que nacieron hace ya muchísimo tiempo en el origen del  Universo y que sí son auténticas partículas estables) sino que son emitidos (nacen) y absorbidos (desaparecen) continuamente  o sufran la acción gravitatoria de un campo gravitatorio intenso, o bien, una colisión Compton. Como partícula individual en un acto individual de nacimiento o extinción, el fotón posee una energía discreta ( ley cuántica de Planck) y una cantidad de movimiento que le confiere una dirección determinada como cualquier partícula. No obstante, la indeterminación en la medida de los valores iniciales de posiciones o velocidades en las partículas implicadas, no nos deja calcular sus posiciones o velocidades finales (y con ello, sus direcciones de salida) . No obstante, en muestras macroscópicas de materia que expelen trillones y trillones de fotones, estadísticamente con estas cantidades tan grandes de fotones, se cumple que lo más probable es que los fotones salgan radialmente en todas las direcciones equiprobables del espacio por igual en forma de haces radiales constituyendo, ahora sí, una verdadera radiación de fotones libres hasta su próxima absorción. Como la densidad de flujo de fotones (fotones por unidad de superficie cruzada)decrece según Densidad =  nº fotones / Superficie esférica =nº fotones/(4piR2) tenemos que la intensidad fotónica decrece con el cuadrado de la distancia, asemejándose así a los fenómenos ondulatorios clásicos ,  así que aquí comienza a llamarse a los haces de fotones,  “ondas”, y dado su origen en los saltos cuánticos bruscos de la energía mecánica entre cargas eléctricas, se empiezan a llamar “ondas electromagnéticas”.  Esta radiación es de tres dimensiones al propagarse en las tres dimensiones del espacio. Maxwell tendrá la palabra en estos asuntos por otros caminos en base a una teoría de campos variables espacio-temporalmente para constituir ondas electromagnéticas regidas por la ecuación de ondas similar a las ondas mecánicas y donde se visualiza la necesaria velocidad constante universal límite de tales ondas y su dependencia de las constantes electromagnéticas Ke y Km (ecuación de Maxwell de la velocidad C=Raiz(Ke/Km). A diferencia de la irradiación de fotones en el espacio de tres dimensiones tenemos la irradiación en línea donde haces de fotones que se propagan sobre una única línea recta se extienden a lo largo de ella llegando a los centros receptores con la misma densidad lineal que en el origen no mermando su intensidad aunque alimentando de energía únicamente a un punto destino (es el rayo LÁSER).   Aunque los fotones solamente pueden viajar de pares a pares de cargas eléctricas, a través del vacío a la velocidad natural máxima C, cuando van cruzando un sistema material constituido precisamente por redes o grupos de tales partículas eléctricas (protones, electrones,  átomos, moléculas , cristales) sufren continuas absorciones y emisiones hacia y desde tales partículas “ralentizando” la marcha de tales fotones dentro de la materia. Cuando los fotones son definitivamente absorbidos por pares de cargas pueden ocurrir dos efectos : Expulsión de electrones al exterior (denominado efecto fotoeléctrico descrito en la ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico) o bien,  una mayor agitación global del sistema del átomo o de la molécula constituyendo un aumento de energía cinética que no es más que energía térmica en términos globales. Puede ocurrir también que los fotones sean absorbidos y emitidos por la primera capa de átomos en el material realizándose el doble fenómeno de la reflexión (los fotones regresan al medio de donde vinieron) y de la refracción (los fotones continúan en un segundo medio denominado en este caso “transparente a la luz”). En este caso, la velocidad de la luz no es exactamente la del vacío aunque los fotones viajen de átomo a átomo a través del vacío a la velocidad de siempre C. Al ser absorbidos y desprendidos por el par de cargas protón-electrón de cada átomo, se produce un enlentecimiento en el avance de la luz y de sus fotones. Es como un autobús directo de origen a destino que va a su velocidad natural , comparado con el autobús con paradas en estaciones intermedias cuya velocidad media global baja (aunque de estación en estación, sigue viajando a la velocidad natural de siempre). El cociente entre la velocidad de la luz en el vacío c y la velocidad de la luz en el medio transparente v, se denomina “índice de refracción”  N=C/V. Calculemos tal índice. Sea un medio material lineal formado por “n” capas de átomos en fila separadas “K” metros, hasta un espesor “L” total. El fotón al pasar por todos los átomos sufre absorción/emisión retrasándose un tiempo  nTr  (Tr= tiempo que tarda el fotón en tal absorción/emisión y “n” ,nº de átomos de la fila)) . La velocidad de la luz si no hubiera materia en esa distancia L sería  C=L/T  , siendo T el tiempo de viaje de los fotones a través del vacío sin materia o a través del vacío interatómico en la materia.    La velocidad de los fotones en la materia es V=L/(nTr+T).Dividimos para calcular el índice de refracción N = C/V =( L/T)/(L/(nTr+T))   , pero T=L/C es decir, L= nK ,quedando, N= (nTr+L/C )/(L/C) = (nTr+  nK/C)/(nK /C)    que se simplifica en    N=   Tr C/K  + 1   .   El índice de refracción no depende del tamaño del material sino de sus características físicas(K distancias reticulares entre átomos, Tr, propiedades químicas o atómicas para el retraso en la absorción y la emisión fotónica). Cuanto menores sean los tiempos de absorción/emisión Tr  y más espaciados estén los átomos “K”  , el medio se va pareciendo más al vacío, de manera que N se va acercando al valor unitario y , en todo caso, los fotones en los espacios interatómicos e intermoleculares  que son vacíos siguen viajando  a C. El fotón en las cercanías de los pares de cargas eléctricas tiene la propiedad de aumentar la energía mecánica (electrón salta a orbitales  superiores)de los átomos de forma que en el punto vacío del centro de masas de dichas cargas  se produce dicho aumento que se traduce en que los electrones saltan a orbitales superiores o el conjunto adquiere mayores energías cinéticas globales (efecto cuántico interno en el átomo o efecto térmico del conjunto del átomo o de la molécula o del cristal).La partícula fotón ya no se mueve y deja de existir mientras la energía que portaba se ha transformado: Es la absorción fotónica por vía cuántica o por vía térmica. Inversamente, al saltar el electrón de nuevo a orbitales inferiores, en el centro de masas del átomo se produce un bajón de energía mecánica y a la vez la formación de un fotón que se va al exterior evacuando esa energía perdida :Es la emisión fotónica.   Según el valor del salto de energía así será el valor de la energía del fotón correspondiente de manera que encontramos fotones de muy baja energía a energías de las luces visibles por el ojo humano y de mayores energía aún en un diagrama denominado “el espectro electromagnético o de los fotones”, que está integrado dentro de un diagrama de mayor amplitud energética que es el “diagrama de Planck” que incluye desde la mínima energía posible o cero (puntos vacíos o fotón inexistente) hasta el fotón de Planck que es el máximo permitido en la naturaleza e inalcanzable (dada su máxima inestabilidad, en mínimo tiempo , tiempo mínimo de Planck).    

                     

       Al igual que en la formación de fotones en la interacción electromagnética, los gravitones se forman del salto de energía mecánica (cinético potencial gravitatorio) debido a un campo gravitatorio muy intenso(escalón brusco de potenciales gravitatorios que es infrecuente en el Universo salvo en las inmediaciones de los agujeros negros, en su frontera de sucesos como ya veremos) .Es un fenómeno cuántico que se produce entre partículas dentro de un campo gravitatorio suficientemente intenso , no obstante, dado que los campos gravitatorios son extremadamente débiles (40 órdenes inferiores a los electromagnéticos entre las mismas partículas)  dichos gravitones  poseen una energía extremadamente baja y  sus efectos quedan enmascarados por los efectos electromagnéticos ,por los fotones.

Por último, las energías de los bosones de todo tipo se caracterizan por la energía que portan, la masa equivalente, la longitud de onda y la frecuencia, estando todos moviéndose a la velocidad comùn C. Tales valores son prácticamente continuos (el espectro continuo electromagnético o, en general, el espectro total de Planck) sino fuera porque ,en último extremo, el espacio-tiempo está cuantizado con valores mínimos del tiempo y longitud de Planck Tp y Xp. Así, la frecuencia de los bosones está dada por f=1/T siendo el periodo T múltiplo del tiempo de Planck T=nTp  , así las frecuencias están cuantizadas de la manera,   f= 1/(nTp)  .  Para n=1, tenemos el bosón de Planck  de máxima energía y para “n” tendente a infinito, tenemos bosones tendentes a los gravitones y en extremo,los puntos vacíos de energía nula.