La NASA tiene $2 500 mil millones en juego con el aterrizaje de Curiosity en Marte programado para este 5 de agosto. Si Curiosity se enreda con los cables de su plataforma de vuelo impulsado por cohetes encendidos, por poner un ejemplo, algunos científicos verán una década arruinada de su trabajo. Y quizá de su propio futuro. El 5 de agosto, Curiosity deberá atravesar la atmósfera de Marte en un desafío tecnológico que la propia NASA ha denominado como los “7 minutos de terror”. La organización espacial ha difundido que Curiosity es el proyecto con mayor precisión que cualquier misión anterior hecha para el planeta marciano. Esta hazaña es un reto a largo plazo para la NASA, que planea traer muestras de rocas y enviar seres humanos al Planeta Rojo.
Un "cielo de la grúa" baja rover de la NASA, la curiosidad de la superficie de Marte en la concepción de un artista.
El 4 de julio de 2012 los científicos del instituto de física de partículas más grande del mundo, CERN, anunciaron que habían detectado con 99.99% de probabilidad, la existencia del bosón de Higgs, BH, que es un partícula fundamental apodada “la partícula de Dios”.
Muchas personas que desconocen el tema han opinado que con esto se demuestra que Dios es el creador de la materia y del Universo; piensan que el BH tiene algo que ver con Dios. No es así.
El BH lleva su nombre en honor a Peter Higgs, quien planteó la hipótesis de su existencia en 1964. Higgs es ateo.
El apodo del BH proviene del libro de Leon Lederman intitulado “La Partícula Divina: si el Universo es la Respuesta, ¿Cuál es la Pregunta?”. Lederman es ateo. La expresión “partícula divina” fue el resultado de una decisión del editor de Lederman, pues originalmente la obra llevaba en su título “condenada partícula”, no “partícula divina” (goddamn particle, en vez de God particle). Explicaré qué es el BH.
La física actual explica la constitución de la materia y las fuerzas de la naturaleza por medio del Modelo Estándar, ME. El ME considera que los objetos materiales están hechos de átomos que consisten en un núcleo central de protones y neutrones, orbitado por electrones. Los protones y los neutrones están hechos de quarks, de los que hay dos tipos: up-quark y down-quark. Además, hay otras partículas elementales “sueltas”.
Todas las partículas están agrupadas en tres familias de cuatro miembros cada una, para un total de 12 partículas (electrón, electrón-neutrino, up-quark y down-quark en la primera familia; muón, muón-neutrino, charm-quark y strange-quark en la segunda; tau, tau-neutrino, top-quark y bottom-quark en la tercera).
Los primeros miembros de cada familia tienen propiedades idénticas a los primeros miembros de las otras familias, excepto por su masa, que crece de la primera familia a la tercera. Lo mismo sucede con los segundos miembros de cada familia, los terceros y los cuartos.
Cada partícula tiene una antipartícula de idéntica masa pero carga eléctrica opuesta (el positrón, por ejemplo, es la antipartícula del electrón). Si la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan y producen energía pura. La escala de estas partículas es de una billonésima de una billonésima de un metro.
El ME considera que hay cuatro tipos de “fuerzas” en la naturaleza (“fuerza” entre comillas porque la gravedad es, en realidad, una configuración geométrica del espacio-tiempo). Estas son: la gravedad (las masas se atraen), el electro-magnetismo (cargas electro-magnéticas iguales se repelen; cargas opuestas se atraen), la fuerza nuclear “fuerte” (responsable de que los quarks y los protones se mantengan unidos en el núcleo atómico; los protones tienen carga eléctrica positiva y, por tanto, se repelen, pero la fuerza nuclear “fuerte” los mantiene unidos) y la fuerza nuclear “débil” (responsable de la radioactividad o decaimiento del átomo).
Cada una de estas fuerzas es transmitida por un agente que es una partícula: gravitón (gravedad), fotón (electromagnetismo), gluón (fuerza nuclear “fuerte”) y weak-gauge-bosón (fuerza nuclear “débil”).
Según la teoría del ME, el fotón y el weak-gauge-bosón no deberían tener masa. Sin embargo, los experimentos han demostrado que sí la tienen. Por otra parte, no se sabe por qué las 12 partículas de las tres familias del ME tienen, cada una, la masa que tienen. Tampoco se sabe por qué hay tantos tipos de partículas si casi todos los objetos materiales están hechos sólo de electrones, up-quarks y down-quarks, ni por qué esas partículas están agrupadas en tres familias y no cuatro, por ejemplo.
Para resolver esto, Higgs propuso que existe un campo compuesto por bosones (Bosones de Higgs, BH) que está en todas partes y que todas las partículas interactúan con él obteniendo, de esa manera, su masa. La masa puede verse como una resistencia al movimiento (inercia). Entre mayor sea la masa de algo, más cuesta moverlo.
Los BH son como paparazzi que rodean a una persona famosa, dificultándole su movimiento. Un desconocido (poca fama: poca masa) se mueve fácilmente porque no es rodeado por los paparazzi (Bosones de Higgs). Una persona célebre (mucha fama: mucha masa) se mueve con dificultad por tantos paparazzi.
Más de 8 años después de aterrizar en el planeta rojo, Marte, Opportunity sigue funcionando. De hecho, los planificadores de la misión dicen que el robot incansable está a punto de completar una maratón - la primera carrera de larga distancia en un planeta alienígena. MER-B (Opportunity) es el segundo de los dos vehículos robóticos de la NASA que aterrizaron con éxito en el planeta Marte en 2004. El vehículo aterrizó el 25 de enero de 2004 a las 05:05 TUC). Su gemelo, MER-A (Spirit), había aterrizado en Marte tres semanas antes, el 3 de enero de 2004. Ambos robots forman parte del 'Programa de Exploración de Marte' de la NASA.El Opportunity aterrizó en Meridiani Planum en las coordenadas 354,4742º E 1,9483º S, aproximadamente a 24 km al este de su blanco inicial. Aunque Meridiani es un lugar llano, sin campos de rocas, el Opportunity -tras rebotar 26 veces contra la superficie del suelo marciano- rodó hasta caer en un pequeñocráter de aproximadamente 20 m de diámetro. El 28 de enero de 2004 la NASA anunció que el lugar de aterrizaje ahora se llama 'Challenger', en honor a los siete astronautas muertos en el año 1986, cuando el transbordador explotó poco después del lanzamiento en la misión Challenger .
La duración de la misión original para Opportunity era de 90 días marcianos. Muchos miembros de la misión esperaban que pudieran funcionar más tiempo, y el 8 de abril de 2004 la NASA anunció que apoyaba la extensión de la misión hasta septiembre de 2004, dotándo con los fondos y mano de obra.
En julio de 2004, los encargados de la misión empezaron a hablar de extender la misión incluso más allá de los 250 días. Si los robots pudieran sobrevivir el invierno, muchas de las metas científicas más interesantes se podrían conseguir.1 En 2012, tras más de ocho años en Marte, el Oportunity continúa sus labores de investigación.
1. ¿Por qué es tan importante encontrar el bosón de Higgs? Porque
podría contener la respuesta a la siguiente cuestión: ¿cómo decide la
naturaleza a qué partículas les asigna masa y a cuáles no? Todas las
partículas elementales que forman la materia (seis leptones y seis
quarks) tienen masa. Sin embargo otras como el protón, responsable de la
fuerza electromagnética, no tienen masa. La presencia o ausencia de
masa podría venir dada por el bosón de Higgs, cuya existencia se propuso
en los años sesenta. “Confirmar la existencia del bosón de Higgs en el
modelo estándar supondría haber comprendido el mecanismo por el cual las
partículas adquieren masa, un mecanismo que en su versión más simple
predice la existencia de –al menos– un bosón que cuando interacciona con
las otras partículas (quarks, leptones y otros bosones), hace que estas
adquieran masa”, explica Teresa Rodrigo, investigadora del Instituto de
Física de Cantabria que participa en los experimentos del CERN.
2. ¿Qué es el campo de Higgs? Para
explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, el físico
británico Peter Higgs (y simultánea pero independientemente, también
Francois Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen y Tom
Kibble) postuló en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce
como el “campo de Higgs”. Al igual que el fotón es el componente
fundamental de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una
partícula que lo componga, que los físicos llaman “bosón de Higgs”. El
campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el
espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa
de las partículas estaría causada por una especie de “fricción” con el
campo de Higgs, por lo que las partículas más ligeras se moverían por
este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor
dificultad.
3. ¿Quién acuñó el nombre de “partícula de Dios”? Fue el
Premio Nobel de Fïsica Leon Lederman, en el libro “Si el universo es la
respuesta, ¿cuál es la pregunta?”. Sin embargo muchos investigadores
prefieren el apodo de "la partícula de la botella de champagne",
haciendo alusión a la anécdota según la cual el físico David J. Miller
ganó en 1993 una botella de champagne ofrecida por el ministro de
ciencia británicoWilliam Waldegrave, que la ofreció como “premio” a
quien fuese capaz de explicarle que era el bosón de Higgs.
4. ¿Por qué se usa el LHC para buscar el bosón de Higgs? La
confirmación o refutación de la existencia del bosón de Higgs es uno de
los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en
inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que
opera la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en la
frontera franco‐suiza, cerca de Ginebra (Suiza). En el interior del
anillo del acelerador del CERN colisionan protones entre sí a una
velocidad cercana a la de la luz. Según los cálculos los bosones de
Higgs deberían producirse en choques frontales entre protones de
energías del orden de 20 TeV. Al fin y al cabo, cuanto mayor sea la
energía de las partículas que chocan más masa tendrán las resultantes,
según la famosa ecuación de Einstein E=mc2. No obstante, el bosón de
Higgs no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce
se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas
elementales más habituales (fotones, muones, electrones…) que sí son
detectadas en el LHC.
5. ¿Por qué se habla de probabilidades en lugar de hablar de
descubrimiento del bosón de Higgs? ¿Qué significan los “sigmas” de los
que hablan los físicos? El bosón de Higgs no puede observarse
directamente porque si tiempo de vida es demasiado corto. Al final de su
vida, decae y se transforma en otras partículas que son las que los
detectores observan. Por ejemplo, en dos fotones. Pero otros muchos
procesos también generan dos fotones, de modo que los científicos tienen
que comparar el número de “eventos de dos-fotones” y compararlo con lo
que se espera para una determinada partícula. Para reclamar la
paternidad de un descubrimiento, los físicos necesitan tener un exceso
de colisiones significativas, lo que precisa de otra magnitud: la
desviación estándar o el “número de sigmas”, que establece la
significancia estadística de ese descubrimiento. Al hacer el anuncio
sobre el bosón de Higgs, Fabiola Gianotti ha dicho: "Hemos observado
señales claras de una nueva partícula en el nivel de cinco sigma en la
región de la masa alrededor de 126 gigaelectronvoltios (GeV)”. El valor
cinco sigma es el nivel mínimo aceptado por la comunidad científica para
confirmar el descubrimiento de una partícula, e indica que la
probabilidad de que lo que estemos viendo sea fruto del azar es más
pequeña que unas pocas partes en diez millones (o que la confianza es
del 99,99994%).
Einstein publicó su Teoría de la Relatividad Especial en 1905 y su Teoría de la Relatividad General en 1915. La primera considera el movimiento uniforme (en línea recta y a velocidad constante) y la segunda, el movimiento acelerado (a velocidad variable, y no necesariamente en línea recta). Ambas conforman la Teoría de la Relatividad.
Esta teoría cambió nuestra visión del tiempo, el espacio, la materia y la energía. La misma ha aprobado todos los experimentos realizados para ponerla a prueba. Ahora sabemos que:
El tiempo es una dimensión más, como las tres dimensiones del espacio (arriba-abajo, adelante-atrás y derecha-izquierda). El tiempo y el espacio no pueden existir separadamente; están indisolublemente unidos en el “tejido espacio-tiempo”.
El tiempo, el espacio y la masa no son absolutos, sino que dependen de las condiciones del observador que los mida. Son afectados por la velocidad y por los campos gravitacionales; estos últimos son causados por la presencia de la materia. La simultaneidad no es absoluta, sino relativa. Dos eventos pueden ocurrir simultáneamente para un observador y en momentos diferentes para otro, estando ambos en lo cierto.
La materia y la energía son equivalentes. La una se puede transformar en la otra. La materia contiene una cantidad enorme de energía.
La gravedad no es una fuerza sino una configuración geométrica del tejido espacio-tiempo. La materia ocasiona hondonadas en dicho tejido, que atraen a otras materias.
Nada material puede viajar a una velocidad mayor que la de la luz. Dicha velocidad es la misma para cualquier observador, sin importar su estado de movimiento.
Muchos ignoran estas realidades. Otros piensan que su conocimiento es inútil. Sin embargo, muchos artilugios tecnológicos modernos no existirían sin la Teoría de la Relatividad.
La utilidad más visible de esta teoría es el sistema de navegación GPS (Sistema de Posicionamiento Global). Éste es utilizado por barcos, aviones, automóviles, topógrafos, etc. Un aparato GPS es barato y liviano y es capaz de ubicar un objeto sobre la superficie terrestre con gran precisión.
El sistema GPS se basa en una red de satélites que orbitan la Tierra a unos 20,000 km de altura y a una velocidad de unos 14,000 km por hora. Estos satélites están distribuidos de tal manera que al menos cuatro de ellos son siempre visibles desde cualquier punto de la Tierra. Cada uno de ellos lleva un reloj atómico de gran precisión. Un aparato receptor GPS determina su posición en el planeta con base en las distancias entre dicho receptor y varios de estos satélites, cuyas posiciones son conocidas en cada momento. En pocos segundos se puede obtener una precisión de hasta cinco metros. En una hora se puede lograr una precisión de milímetros.
El tiempo medido por los relojes de los satélites, a nosotros en la Tierra nos parece que transcurre más lentamente (comparado con el tiempo medido por un reloj idéntico en la superficie), por el efecto de su velocidad, tal como predice la Teoría de la Relatividad Especial. Por esta causa, los relojes de los satélites se “atrasan” unos 7 microsegundos cada día.
Por otra parte, la curvatura del tejido espacio-tiempo es menor en los sitios en donde están los satélites que en la superficie terrestre. Por esta razón, los relojes satelitales se “adelantan” en comparación con los relojes terrestres, como predice la Teoría de la Relatividad General. Por esta causa, los relojes de los satélites se “adelantan” unos 45 microsegundos cada día.
El resultado neto de los dos efectos relativistas (el primero por la velocidad y el segundo por la gravedad) es un adelanto diario de 38 microsegundos en los relojes de los satélites, comparados con los relojes terrestres.
La precisión requerida por el sistema GPS es de nano-segundos (mil millonésimas de segundo). 38 microsegundos significan un error acumulado diariamente de 38,000 nanosegundos. Si no se considerara el efecto de la relatividad, el sistema GPS acumularía un error de unos 10 kilómetros cada día y se volvería inútil.
De igual manera, la Teoría de la Relatividad es esencial para el funcionamiento de los teléfonos celulares, la Internet, las transmisiones globales de radio y televisión, etc.
El 20 de agosto de 1977 y el 5 de septiembre de 1977, la NASA lanzó al espacio desde Cabo Cañaveral dos sondas con el objetivo de explorar el espacio, enviar datos científicos y quizás actuar de embajadores en un eventual encuentro con otras civilizaciones: las sondas Voyager. Las sondas Voyager 2 y 1 (así fue el orden de lanzamiento) llevan casi 35 años viajando por el espacio por rutas distintas y, en este tiempo, han enviado a los científicos gran cantidad de datos y han llegado a alcanzar la Heliopausa tras haber pasado antes por Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno (Voyager 2) y por Júpiter y por Saturno (Voyager 1). Estos días, la sonda Voyager 1 ha alcanzado un nuevo hito en su historia y según informó el Laboratorio de Propulsión de la NASA en Pasadena (California), la sonda alcanzó el límite de nuestro sistema solar.
Ambas sondas se han convertido en los dos primeros objetos fabricados por el hombre que más lejos han llegado y seguirán haciendo historia hasta el año 2025, fecha estimada en la que se agotarán sus fuentes de energía (que por cierto son de plutonio). La sonda Voyager 1, según los datos de la NASA, se encuentra a unos 18.000 millones de kilómetros de nuestro Sol y viaja a una velocidad de unos 17 kilómetros por segundo transmitiendo señala es de radio que tardan unas 16 horas y 38 minutos en recibirse en la Tierra.
Además de reportar información relativa al sistema solar exterior o el viento solar, ambas sondas portan un disco de oro (que los que hayan visto la primera película de la serie Star Trek quizás recuerden) con una selección, de una hora y media de duración, de músicas de distintas zonas del mundo, saludos en 55 idiomas, un saludo del Secretario General de Naciones Unidas de la época, algunos sonidos de nuestro planeta, 115 imágenes en las que se explica la localización del Sistema Solar, características de nuestro planeta, características del ser humano y su sociedad; una información compuesta por un comité científico presidido por Carl Sagan (al igual que el Mensaje de Arecibo).
¿Y cuál será el futuro de estas sondas? En el año 2025 se agotarán sus fuentes de alimentación y dejarán de emitir su señal de radio (que tiene una potencia de 20 vatios) y aunque seguirán viajando por el espacio no se podrá recibir más información.
de alt1040
En 1915 Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General, la que considera los objetos con movimiento acelerado. Esta teoría revolucionó el concepto de gravedad.
En 1905, la Teoría de la Relatividad Especial había determinado que ningún objeto puede viajar más rápidamente que la luz y que, por tanto, no se puede transmitir información de manera instantánea. Durante siglos prevaleció la visión de Newton, de que la gravedad es una fuerza que actúa a distancia de manera instantánea. Esto contradice la Relatividad Especial. Newton no explicaba la naturaleza de la gravedad, ni su forma de transmisión.
La gravedad enlaza una masa con otra. Pero, ¿cómo “se entera” la materia de que otra materia está allí?
La Relatividad Especial une indisolublemente el espacio con el tiempo en lo que se denomina el “espacio-tiempo”, pero deja aparte la materia. La Relatividad General enlaza la materia y la gravedad por medio de la acción del espacio-tiempo. Es el espacio-tiempo lo que posibilita que una materia “se entere” de que hay otra materia cerca.
En una superficie plana la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta, pero en una superficie curva la distancia menor entre dos puntos es una línea curva. Si golpeamos una canica en una membrana plana de hule, ésta sigue una trayectoria recta. Si colocamos una bola de boliche en el centro de la membrana, ésta se curva. Si entonces golpeamos la canica, esta sigue una trayectoria curva y es “atraída” hacia la bola de boliche.
De una manera análoga, la materia se comporta como la bola de boliche, haciendo que el tejido espacio-tiempo se deforme como la membrana de hule, y ocasionando que otros objetos materiales (la canica) sean “atraídos” hacia ella. De esta forma, la gravedad no es una fuerza que actúa a distancia y de manera instantánea, sino que es una deformación geométrica, una hondonada en el tejido espacio-tiempo.
Para Newton, la materia le dicta a la gravedad cómo ejercer una fuerza y esta fuerza, a su vez, le dicta a la materia de qué manera acelerarse. Para Einstein, en cambio, la materia le dicta al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo curvado, a su vez, le dicta a la materia cómo acelerarse.
En el espacio vacío, el espacio-tiempo es plano. En el espacio con materia, el espacio-tiempo es curvo. Observando un objeto moviéndose en el espacio vacío en línea recta, Newton afirmaría que dicho objeto no cambia ni su velocidad ni su dirección porque ninguna fuerza actúa sobre él. Observando el mismo caso, Einstein afirmaría que el objeto se mueve en línea recta y con velocidad constante porque a su alrededor el espacio-tiempo es plano, por no haber cerca materia alguna que lo curve.
Entre mayor sea la masa, mayor será la hondonada que ésta ocasiona en el espacio-tiempo. Mientras más cerca esté la otra masa de la primera, mayor es la curvatura que afecta a dicha segunda masa. En nuestra analogía, la canica se verá atraída de mayor manera mientras más pesada sea dicha bola y mientras más cerca de ella se encuentre la canica.
La Teoría de la Relatividad General ha aprobado con éxito todos los experimentos realizados para ponerla a prueba. Uno de ellos es el caso del eje mayor de la órbita del planeta Mercurio, que se inclina 574 arco-segundos por siglo. Utilizando las ecuaciones de Newton para calcular dicha inclinación, se obtienen 531 arco-segundos por siglo, pero utilizando las de Einstein se obtiene el número preciso. A finales del 2011 una nave espacial comprobó que cuando un objeto celeste (estrella, planeta, etc.) gira, arrastra consigo el tejido espacio-tiempo de la manera predicha por la Teoría de la Relatividad General.
Las ecuaciones de Newton, aunque esencialmente equivocadas, se pueden utilizar de manera práctica cuando los campos gravitacionales son débiles y cuando las velocidades involucradas son mucho menores que la de la luz.
Una de las consecuencias ya demostradas de la Relatividad General es que el tiempo transcurre más lentamente para un observador afectado por un campo gravitacional. Dicho campo, como ya expresamos, es la deformación del espacio-tiempo en las cercanías de un objeto material; una hondonada a su alrededor.
