La Luz, ondas electromagnéticas y relatividad.

Preguntarse ¿qué es la luz?, nos lleva a respuestas muy potentes y preguntas aún no resueltas tecnológica e intelectualmente. Lo primero impactante es que al mirar a las estrellas, la luz que salió de allí, es mirar a su pasado. El universo es tan grande, que la luz que viaja a la máxima velocidad tarda miles e incluso millones de años en recorrerlo. A poca distancia la luz es prácticamente instantanea, sin embargo tarda 8 minutos desde el Sol a la Tierra. La luz es lo más rápido de nuestro universo debido a que el fotón (la partícula que la transporta) no tiene masa (es sólo energía), su velocidad en el vacío es c=299.792,458m/sg, aunque se redondea a c=300.000.000m/sg. Los electrones orbitan en distintos niveles energéticos alrededor del núcleo del átomo, la luz visible se forma cuando un electrón que está en estado excitado pasa a una órbita inferior perdiendo energía y emitiendo un fotón (al contrario, un electron puede pasar a un nivel superior absorbiendo la energía), una partícula sin masa que transporta la luz (es una partícula fundamental del modelo de física de partículas). El fotón transporta la fuerza electromagnética. Las ondas electromagnéticas transmiten energía, y estan producidas por la vibración de las partículas cargadas y viajan a través del espacio a la velocidad de la luz. Esa velocidad se ve influida por el medio donde se propaga, porque a nivel subatómico los fotones son capturados y emitidos, incluso en el vacío, donde aparecen espontaneamente partículas y antipartículas. Incluso, y esto es muy sorprendente, el propio universo se está expandiendo a velocidades superiores a la de la luz (y no contradice nada, pero eso lo contaremos en otro momento, es como si el universo conspirara para que no veamos la luz del Big Bang, que está detrás de la radiación de fondo de microondas). La luz conforme viaja por el espacio va perdiendo energía, y con esa expansión llegará un momento que no exista contacto visual con parte del universo observable actual.

La luz es la forma más pequeña de energía que puede ser transportada, es una onda electromagnética (EM). El fotón no puede ser dividido, posee una dualidad onda-partícula, es una onda y una partícula paralelamente. Todas las ondas EM están formadas por fotones, que viajan a la velocidad c, lo que varían son sus frecuencias, viajan en dos ondas perpendiculares (eléctrica y magnética) y a su vez ambas perpendiculares a la dirección de avance. La luz, como onda EM que es, no necesita ningún medio para propagarse. Las ondas EM tienen una longitud de onda λ entre sus crestas, y el número de ondas que pasan por un punto en un segundo es f su frecuencia. Una onda por ciclo por segundo es lo que se llama Herz o herzio. Al añadir energía aumenta la frecuencia de la onda, y hace que la longitud de onda sea más corta. En este momento te están golpeando ondas de todo tipo en el lugar donde te encuentras, aunque sólo distingues las visibles. Las ondas EM se caracterizan por su amplitud (A), frecuencia (f), velocidad (c) y longitud de onda (λ). Los fotones, que forman la luz, son paquetes discretos de energía (quantum) sin masa y velocidad c, su frecuencia f=c/λ, (c constante, significa que a mayor frecuencia f, menos longitud de onda λ). La energía de la onda es directamente proporcional a la frecuencia. La energía E de un fotón es E=h·f, (donde la constante de Planck, h=6,626·10-34 jul·sg) sustituyendo f será E=h·c/λ de un fotón del espectro visible violeta de 400 nm (nanómetros, 1nm=10-9m), sería de E=4,96·10-19Jul=3.105 ev (siendo la equivalencia del electron-voltio 1ev=1,6 ·10-19Jul). El sol es la principal fuente de luz natural, aunque emite todas las ondas del espectro, y la enorme energía procede de la fusión de sus átomos de hidrógeno. 

Entender lo que sabemos de la luz ha sido muy difícil, en ello han participado históricamente los grandes científicos de primera fila, como Aristóteles, Descartes, Newton, Planck o Einstein (que la veían como partícula) o Fresnel, Young, Hertz, Maxwell o Huygens (que la veían como onda). La luz tiene propiedades de onda y de partícula, algo que es un reto científico. Dependiendo del experimento que hagamos la luz se comporta como una onda, cuando la hacemos pasar por una ranura se dispersa con disfracción como se comportan las ondas. Pero la luz muestra también comportamiento de partícula (como una partícula con el efecto fotoeléctrico) con cantidades discretas (cuánticas) de energía indivisibles, y a esas partículas se les llama fotones (se representan como pequeñas líneas onduladas). Pero no es nada extraño, cuando vemos la proyección de un cilindro en distintos planos de vista se ve distinto (¿es un cuadrado o un círculo?, pues no es ninguna de las dos, es: un cilindro), así de caprichosa es la naturaleza, y entender como es la luz todavía no se sabe realmente. Las ondas EM se clasifican atendiendo a su longitud de onda en el espectro EM. La mayoría de los objetos reflejan la luz, absorben parte de las ondas que reciben y emiten otra parte del espectro, y su color es consecuencia de ello. La luz se propaga en el vacío en todas las direcciones del espacio y en linea recta (si no se ve alterada por el medio) y tiene distinta interacción con la materia según su naturaleza (gas, líquido, sólido,..).

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético, pero es la única del espectro que se propaga a través del agua, y ahí surgieron los primeros ojos, que evolucionaron hasta los actuales nuestros. Por eso vemos ese espectro (y por eso lo llamamos “visible”), porque era la diferencia entre la vida y la muerte en la evolución. El espectro electromagnético es algo que nos rodea, y que no se puede ver, ni tocar, ni sentir, en su mayor parte. Pero forma parte de nuestro día a día, sin ellas no podríamos existir. Cuando las ondas electromagnéticas impactan con las moléculas de un cuerpo, de ellas parte de la luz visible refleja su color hasta nuestros ojos, otro tipo de ondas son absorbidas y reflejadas. La ondas electromagnéticas están distribuidas en un amplio espectro, desde los rayos cósmicos y gamma muy cortos, a rayos X, los rayos ultravioleta, la luz visible, los infrarrojos, las microondas, hasta las ondas de radio que pueden medir más que montañas o incluso monstruosas como planetas. Muchos aparatos y electrodomésticos funcionan gracias a estas ondas. Para poder apreciarlas se han tenido que inventar otros “tipos de gafas” para podamos utilizar y ver más allá de la luz visible: permitiendo radiografías con rayos X, estudiar con la longitud de onda la composición química, temperatura y densidad a partir de su firma espectral,  televisión, radio, radioastronomía con antenas gigantes, microondas para telefonía y radares doppler meteorológicos, con infrarrojos mandos a distancia, detectar el calor de los cuerpos incluso en la oscuridad,  objetos en el universo no visibles, vegetación y temperatura de la tierra, radiación gamma para matar células, ….. Sigue leyendo

Fusión Nuclear: IFMIF-DONES en Granada

La fusión nuclear, en una u otra de sus opciones tecnológicas, es una opción clara e ineludible en el futuro del abastecimiento energético de una sociedad cada vez más demandante de energía. No parece previsible que esa sociedad que vive en estos momentos bajo un consumo basado en los procesos de transformación de la materia y los recursos naturales, para lo que la energía es imprescindible, rebaje el listón de su demanda. Las energías renovables ocuparán un lugar fundamental en nuestro futuro esperando un incremento de su uso que pasará de un 25% actualmente a 37% en 2040. El proyecto de más relevancia y a su vez el más internacional es el conocido como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), proyecto liderado por la Unión Europea, EE.UU., Rusia y Japón. El objetivo final de todos estos experimentos es construir un dispositivo en el cual, calentando y confinando el combustible (mezcla de deuterio-tritio) el tiempo suficiente, se produzca la reacción de fusión, generando más energía que la aportada. El desarrollo de ITER (aún experimental) y de sistemas similares no tendrá frutos hasta el comienzo de los 2030. De ese paso a un sistema DEMO y comercial conectado a la red quedará aún una o dos décadas al menos.

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La fusión nuclear es un tipo de reacción nuclear en el que dos nucleidos (generalmente ligeros) se unen para formar un nucleido más pesado. Las reacciones de fusión que desprenden energía (reacciones exotérmicas) pueden utilizarse para producir energía útil siempre y cuando se controle el proceso de fusión. Para ello es necesario calentar la materia a temperaturas de cientos de millones de grados, obteniendo un plasma, y confinar este plasma en un volumen determinado para que las reacciones de fusión tengan lugar. Este es el objetivo de los proyectos actuales de fusión por confinamiento magnético y de fusión por confinamiento inercial.

2H + 3H → 4He + 1n + Energía

(la fusión de deuterio y tritio, da lugar a energía, un núcleo de helio y un neutrón)

Nuclear Fusion

Las reacciones nucleares exotérmicas (generan energía) teniendo en cuenta la equivalencia masa-energía E = mc2, donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz en el vacío. Si la masa de los nucleidos iniciales es mayor que la de los nucleidos finales, su diferencia (llamada Q de la reacción, dada en 1 eV = 1,6022 . 10-19 J) será positiva y se producirá energía. Para la reacción de fusión nombrada anteriormente tenemos:

Q = m . ( 2H + 3H − 4He − 1n) . c2  = 17,59 MeV > 0

A pesar de esto, no es sencillo obtener esta energía. Aunque la reacción sea exotérmica, no basta con mezclar deuterio y tritio en un reactor para que ésta se produzca, los nucleidos han de estar a temperaturas muy altas: del orden de 10 000 000 oC en el núcleo del Sol, 150 000 000 oC en un tokamaks como el del ITER.

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El confinamiento a escala de laboratorio se realiza usando campos magnéticos (ya que el plasma está formado por partículas cargadas) o la inercia de la materia acelerada (leyes de Newton). En el primer caso hablamos de confinamiento magnético (usado en tokamaks y stellarators), mientras que Sigue leyendo

Universo a gran escala, su evolución (I): homogéneo, isótropo y plano.

El universo a gran escala accesible tiene un radio de 14.000 millones de años luz, es el horizonte relativista, una superficie esférica cuyo radio aumenta a la velocidad de la luz, lo que está más allá no es observable y está desconectado casualmente de nosotros (con una parte interna o casual, y otra externa que no tiene influencia sobre nosotros). Su descripción cosmológica actual nos dice que el Universo es homogéneo, isótropo y su curvatura relativista es cero; es decir, es plano. En cuanto a su composición, actualmente se cree que aproximadamente más de 2/3 partes son energía oscura (68,3%), algo más de 1/4 parte es materia oscura (26,8%) y el resto (4,9%) es la materia visible ordinaria que conocemos (materia bariónica). De la materia bariónica, casi todo es hidrógeno, helio en menor proporción y el resto de elementos químicos son minoritarios. A gran escala las galaxias son las moléculas del fluido del universo.

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Los cúmulos de galaxias son la mayor entidad que se mantiene unida por autogravitación, son observables en todas las longitudes de onda y con múltiples herramientas. Nuestra Vía Láctea forma parte de un grupo de una decena de galaxias llamado Grupo Local con dos galaxias dominantes que son la Vía Láctea y Andrómeda (M31). El Grupo Local es una extensión del Cúmulo de Virgo, rico en galaxias. Los cúmulos se agrupan en supercúmulos (estructuras de filamentos de unos entre 50 a 1000 Megaparsec – Mpc- (donde 1 Mpc es aproximadamente 3 millones de años luz), el nuestro se llama Laniakea. Existe cierta periodicidad en la distribución de los filamentos, casi como una red cristalina.

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Decir que el universo es homogéneo significa que en todos los lugares es igual en densidad, presión, temperatura, composición química, curvatura espacial,… Que es isotrópico significa que estemos donde estemos en el universo, vemos lo mismo en todas las direcciones donde miremos, todos los puntos son un Sigue leyendo

Nanotecnología: futuro real, de ciencia ficción.

Cada vez existen más productos nanotecnológicos invadiendo el mercado, como son materiales que resisten abolladuras, ralladuras y autorreparables, materiales textiles y deportivos de mayor precisión, mejor flexibilidad, ropa antibacterias, resistente a manchas y antiarrugas, baterías de carga rápida, lentes y pantallas mejoradas y antiarañazos, … etc. Como adivinamos tiene aplicaciones inmensas en muchos campos como electrónica, biomedicina, computación, comunicaciones, energía, arquitectura, alimentación, agroindustria, textil, medioambiente, militares,… Existe un incremento progresivo de productos en el mercado y se verá aún más incrementado en el futuro.

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Clinton en el año 2000 puso en marcha la NNI (Iniciativa Nanotecnológica Nacional) para coordinar los esfuerzos en I+D en ese área. En 2003 el Congreso Estadounidense aprobó los estatutos de la NNI, estableciendo presupuestos, agencias, programas, financiación e impulso de investigaciones claves. Bush destinó 3.630 millones de dólares para tener una posición estratégica en los años 2003-2006. En 2008 el NNI lanzó estrategias medioambientales, salud y seguridad en la investigación. En 2012 relacionadas con nanosensores e infraestructuras de conocimiento. Obama en 2014 destinó otros 1.500 millones, destinados sobre todo a ciencia básica, salud, energía y defensa. Actualmente hay planes plurianuales en todas las estrategias. La cantidad destinada al NNI asciende a unos 21.000 millones de dólares desde su creación. En 2003 el gobierno británico encargo un informe acerca de las repercusiones sanitarias, sociales, ambientales y éticas de la nanotecnología. En 2004 la Comisión Europea la considera un nicho fundamental en todos los programas, emitiendo la acción COM(2004)338 unificando e institucionalizando la financiación de I+D en este campo. Actualmente todos los países desarrollados o en vías, tienen programas de apoyo y explotación de la nanotecnología; así como centros de estudios en muchas universidades de todo el mundo. La nanotecnología a nivel mundial en 2002 en el mercado suponía 110.000 millones en el mercado, en 2015 era ya de 800.000 millones.

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Estamos hablando de un revolución industrial que a medio plazo va a cambiar el mundo, como lo hicieron las revoluciones del transporte o las de las tecnologías de la Sigue leyendo

La importancia de la simetría en la existencia de la vida humana.

La simetría es un hecho muy intuitivo que siempre ha llamado la atención en el mundo artístico, y que hemos tenido delante de nuestras narices, en todo nuestro entorno, prestándole menos atención de la debida, y resulta que tiene unas consecuencias importantísimas en la comprensión del mundo físico y la vida. La simetría además de equilibrio, armonía y otras consideraciones que apreciamos a simple vista, tiene muchas forma de entenderse; desde la correspondencia exacta en forma, tamaño o posición, hasta una correspondencia en la disposición de las partes o puntos en relación con un centro, un eje o un plano; según la disciplina que la estudie. Hasta el punto de que las interacciones fundamentales tienen mucha importancia en la naturaleza y las pequeñas diferencias en esa simetrías dan lugar a la vida. Según Einstein las leyes físicas pueden ser deducidas de los requisitos de simetría.

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La teoría del caos: el atractor extraño.

Mientras las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y las reglas de la mecánica clásica permitan calcular con precisión su trayectoria futura, estaremos en un escenario determinista. Pero ¿cuándo un sistema que está sometido a leyes perfectamente determinadas se comporta de manera errática o aparentemente aleatoria? Lo más importante de estos sistemas es la enorme sensibilidad a las condiciones iniciales, dos estados inicialmente muy próximos pueden dar resultados futuros completamente distintos. Además de esta propiedad los sistemas caóticos deterministas tienen otras propiedades muy características como son la recurrencia, la autosimilaridad y la fractalidad. Sistemas caóticos como el sistema solar y la atmósfera los son en distintas escalas de tiempo.

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El Muro galáctico.

Nuestra galaxia la Vía Láctea (The Milky Way), con todo lo enorme que es, forma parte de un grupo de 54 galaxias que ocupan un espacio de 10 millones de años luz, que se llama Grupo Local. Y el centro de gravedad de todas ellas está precisamente entre nuestra galaxia y Andrómeda, que chocarán entre sí dentro de 4.000 millones de años, porque se acercan una a otra a una velocidad de 110 kilómetros por segundo. Pero eso no es todo, porque este Grupo Local está unido gravitacionalmente a un cúmulo mayor de unas 1.500 galaxias que se llama Cúmulo de Virgo.

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