Ones

Podem definir una ona com una pertorbació d’un medi. Tal pertorbació es propaga en el medi en qüestió, transportant energia i quantitat de moviment, però no matèria. Això significa que encara que ens sembli que l’aigua d’un estany es desplaça quan hi tirem una pedra, tan sols transporta energia i moviment. Què significa això? Primer veurem els dos tipus d’ones. 

Ones mecàniques i ones electromagnètiques 

La principal característica que ens permet diferenciar una ona mecànica d’una electromagnètica és la necessitat o no d’un medi en el qual propagar-se. Sabem que el so, que és una ona mecànica, es propaga per l’aire a una velocitat d’uns 340m/s. Aquesta velocitat incrementa quan el so es propaga en substàncies que tenen els àtoms més propers els uns dels altres. Per exemple, en l’aigua, el so es propaga unes cinc vegades més ràpid que en l’aire, mentre que en l’alumini, que és un sòlid, és vint vegades major. Aquest increment es deu al fet que el so és conseqüència de la vibració en cadena de les molècules que formen el medi on es propaga. Els àtoms que formen l’aire, que és una mescla de gasos, estan molt més separats que els d’un líquid o un sòlid. Això provoca que la velocitat de propagació en un gas sigui fins a vint vegades més petita que en un metall. Les ones elàstiques, un altre tipus d’ona mecànica, també necessita un medi per propagar-se. Les ones electromagnètiques, en canvi, no necessiten un medi per on viatjar, sinó que poden desplaçar-se pel buit. Són pertorbacions del camp electromagnètic que Maxwell va descriure per primer cop al unificar el camp elèctric i el magnètic en un sol concepte. 

Una propietat increïble d’aquestes ones és la velocitat amb la qual es propaguen en el buit: la velocitat de la llum. La llum, que en l’aire es propaga a una velocitat aproximada de 300.000 km/s, és 900.000 vegades més ràpida que el so –això explica per què primer observem el llampec i després sentim el tro -. 

Ones electromagnètiques 

Longitud d’ona

A continuació veurem les diferents classes d’ones electromagnètiques en funció de la seva longitud d’ona. 

Espectre electromagnètic                            Longitud d'ona 

Ràdio                                                          Muntanya-home
Microones                                                  Nadons-insectes
Infraroig                                                          Punta d’una agulla
Visible                                                          Bacteris (700-400 nm)
Ultraviolats                                                  Molècules
X                                                                  Àtoms
Gamma                                                          Més petit que un nucli atòmic

Potser cal recordar que la longitud d’ona és la distància que separa dues valls (punts més baixos) o dues crestes (punts més alts) successives d’una ona. En la casella “longitud d’ona” no hem sigut rigorosos, ja que les hem comparat amb cossos com muntanyes o insectes, però pensem que d’aquesta manera és més fàcil fer-se una idea mental de com són. 

Energia d’un fotó 

Hem vist en anteriors entrades que les ones electromagnètiques com la llum es comporten seguint el model de dualitat ona-partícula, és a dir, en certs casos el seu comportament és com el d’una ona i en certs casos com el d’un conjunt de partícules. Aquestes partícules les coneixem amb el nom de fotons, i, si potser no va ser el primer en imaginar-se-les, Albert Einstein sí que va ser qui demostrà la seva existència. 

L’energia dels fotons dels diferents espectres electromagnètics és un aspecte que preocupa molt a la societat. Un fotó que té poca energia tindrà poc poder de penetració i, per tant, serà poc nociu per a la nostra salut. No obstant, un que tingui molta energia serà capaç de penetrar en els nostres teixits i alterar el contingut del material genètic, la qual cosa pot originar un comportament erroni de les nostres cèl·lules que, en certs casos, traduïm com a càncer. És important saber que l’energia d’un fotó és inversament proporcional a la longitud d’ona. Així doncs, com que la longitud d’ona de les ones de ràdio és molt ampla, l’energia dels seus fotons no és nociva per a nosaltres. Si més no, escoltar la ràdio no ens produeix, que sapiguem, cap problema. La llum del Sol també és poc nociva, sempre i quan ens protegim i dosifiquem l’exposició al Sol adequadament. 

La fórmula que s’utilitza per calcular l’energia d’un fotó és molt senzilla 

E= h·f

En l’equació, h és la constant de Planck (6,626·10^-34) i f  la freqüència de l’ona, que és el nombre d’oscil·lacions per segon. 

Transport d’energia i moviment 

Tornem ara a la pregunta que ens fèiem al principi sobre què significa que una ona transporta energia i moviment. 

Si col·loquem una peça que suri en l’aigua en un estanc i provoquem una ona, veurem com la peça oscil·la amunt i avall per un moment. Aquesta oscil·lació es deu que l’ona, que transporta moviment, ha sigut capaç de produir aquest moviment en la peça. Si una ona transportés matèria, aquesta peça s’hagués desplaçat, és a dir, la posició final hagués sigut diferent a l’inicial. Per entendre el transport d’energia, si col·loquem una turbina connectada a un transformador en algun punt on l’ona xoqui fort, aconseguirem transformar l’energia de l’ona en energia elèctrica. Amb aquests exemples podem entendre què significa el transport d’energia i moviment. 

Refracció de la llum

La refracció de la llum és el fenomen que consisteix en l’alteració de la direcció de propagació de la llum quan aquesta experimenta un augment o disminució de velocitat. La llum experimenta aquesta canvi de velocitat quan passa d’un medi a un altre.  

La llum, si viatja per un mateix medi, com l’aire, es propaga en línia recta. Això és perquè l’aire, com tots els medis, té un índex de refracció que és constant si la temperatura no varia. L’índex de refracció es calcula amb la següent fórmula: 

M= C/v

Això significa que l’índex de refracció d’un medi és igual a la velocitat de la llum en el buit (c) entre la velocitat de la llum en el medi en qüestió (v). L’índex de refracció sempre és més gran que 1. 

Aire-Aigua

L’índex de refracció de l’aire és aproximadament 1,00029, mentre que el de l’aigua és 1,33. Quan la llum passa de l’aire a l’aigua varia la direcció. Això fa que un llapis sembli estar deformat quan reposa en un got mig ple d’aigua. 

Els angles de la direcció dels raigs de llum respecte el pla que anomenen “normal” varien al canviar de medi. 

Continua llegint »

Realitat i Separabilitat

La realitat i la separabilitat són les premisses d’un Univers raonable, aquell que la física ha acceptat durant molts anys i que ha complagut a mentalitats tan conservadores (en aquest aspecte) com la de Newton o la d’Einstein. No obstant, des del naixement de la mecànica quàntica, aquestes premisses s’han posat en dubte, fins al punt que, sembla ser, que el nostre Univers no pot ser real i separable al mateix temps. Anem a veure quin significat tenen per la física els termes “realitat” i “separabilitat”.

Realitat

Si el nostre Univers fos “real”, les propietats físiques de la matèria no serien creades per la observació, tal i com defensa la mecànica quàntica, sinó que serien una qualitat intrínseca de tot cos, independentment de si és observat o no. Albert Einstein era partidari d’aquest pensament. Ell creia que una partícula tenia una realitat separada, independent dels mesuraments. “M’agrada pensar que la Lluna està allà encara que no l’estigui mirant”, va dir un cop.

Així doncs, “realitat” és la paraula que s’utilitza per referir-se a les propietats físiques reals de tots els objectes que no són creades per l’observació. “Si un mitjó és verd, no deixarà de ser-ho en el moment que no és observat, o, si la massa d’una partícula és 1,01 vegades superior a la d’un protó, no variarà quan ningú la mesuri”. Si més no, això és el que ve a dir el terme realitat, que no distingeix entre els cossos macroscòpics i els microscòpics.

En un Univers amb realitat mai trobaríem gats com el de Schrödinger, ja que el fet que no es produís cap observació en l’interior de la caixa no implicaria un estat de superposició, i, per tant, un gat viu i mort no seria possible.

Separabilitat

Si el nostre Univers contemplés la separabilitat, dos objectes que, degut a la seva llunyania, no poguessin interactuar entre ells a través d’alguna força física (és a dir, que es propagui a la velocitat de la llum) mai podrien influenciar-se l’un amb l’altre. El concepte de separabilitat trenca amb el de “connectivitat universal”, que defensa l’existència de les “accions fantasmals”, aquelles “influències” capaces d’alterar objectes de diferents galàxies instantàniament. La premissa de la separabilitat és va posar en dubte quan Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen van publicar l’any 1935 un article que actualment coneixem amb el nom de EPR, en el qual volien demostrar que la interpretació que la mecànica quàntica dels anys 30 feia de l’Univers era incomplerta. Va ser la resposta que Bohr va fer a aquell article la que va començar a parlar, en termes científics, d’una connectivitat universal, que, a molts, els pot semblar més una creença mística que no una hipòtesi científica.

El teorema de Bell i la demostració experimental

En una època que els físics no es preguntaven quin significat tenia la mecànica quàntica, i que no s’ocupaven de demostrar-la experimentalment pel simple fet que funcionava, cal destacar dos noms: John Bell i John Clauser. En la pròxima entrada veurem les contribucions que van fer aquests dos homes a la física moderna.

Continua llegint »

Fotons bessons

El pas que fa un àtom d’un estat d’excitació alt a un de baix o viceversa rep el nom de salt quàntic. Per no contradir el principi de conservació de l’energia, quan un àtom passa d’un estat excitat a un de menys emet energia en forma de paquets, coneguts com fotons (gràcies a Einstein sabem que la llum és un flux de fotons). En canvi, quan un àtom augmenta el seu grau d’excitació absorbeix fotons, els quals aportaran una certa quantitat d’energia, que serà inversament proporcional a la seva longitud d’ona: tal i com sabem gràcies a la teoria quàntica, un fotó amb una longitud d’ona curta té més energia que no pas un amb una longitud més llarga. Aquest fet queda manifestat amb la potència de penetració que tenen els raigs X respecte la llum visible, que és major perquè la longitud d’ona d’aquests primers és més petita.

En aquesta entrada ens fixarem amb els fotons que són emesos quan un àtom allibera energia, i veurem com la mecànica quàntica els interpreta dins del marc teòric de la Interpretació de Copenhage.

Amb la mateixa polarització

Alguns estats excitats d’un àtom són tan alts que aquest torna al seu estat fonamental mitjançant dos salts quàntics successius. Cadascun d’aquests salts ha alliberat un fotó, l’energia del qual dependrà de si el salt quàntic s’ha produït entre dos nivells pròxims o allunyats, i, com que s’han produït quasi simultàniament, el resultat obtingut són dos fotons que han “nascut” del mateix àtom. Els científics van qualificar aquests fotons amb l’adjectiu de bessons, ja que presenten certa analogia amb els bessons idèntics que neixen d’una mateixa mare: ambdós són pràcticament simultanis, i ambdós presenten trets quasi idèntics, tot i que en el cas dels fotons veurem que aquestes característiques seran del tot idèntiques.

Polarització electromagnètica

La polarització electromagnètica (que escurçarem i anomenarem com polarització) és una característica de les ones electromagnètiques, és a dir, aquelles que poden propagar-se pel buit i que són una pertorbació del camp electromagnètic, com la llum o les ones de ràdio. Aquesta característica remet a la direcció d’oscil·lació d’una ona respecte el pla de propagació en camp elèctric. Ens podem trobar llum polaritzada verticalment o horitzontal, i amb fotons polaritzats perpendiculars o paral·lels a un eix, per exemple, d’un detector. Però també ens podem trobar amb fotons que no estan polaritzats ni perpendicularment ni paral·lelament, sinó amb un determinat angle. Un exemple fàcil és l’angle de 45º, que la resultant de la component “paral·lela” i “perpendicular”.

En aquest esquema, l’eix y seria la component perpendicular sempre i quan x fos la paral•lela. La resultant té un angle alfa, de 45º. 

Amb això hem vist que existeixen diferents tipus de polaritzacions a part de la perpendicular i la paral•lela. Un ona electromagnètica pot tenir una polarització de x graus, que en funció de si és major o menor de 45º, estarà més a prop de ser perpendicular o de ser paral•lela al pla de propagació. 

Llum no polaritzada: 

La majoria de la llum, com la que procedeix del Sol o de les bombetes, és llum no polaritzada, és a dir, ones que vibren en tots els angles. Aquesta és una característica fonamental de la llum natural capaç d’il•luminar una habitació sencera que compti amb uns mínims punts de llum. Això ens pot recordar a una propietat que vam veure en una entrada anterior; que la llum es transmet en totes les direccions: si tanques una bombeta encesa dins d’una capsa amb forats, la llum s’escaparà per tots els forats, el que significa que no segueix una direcció determinada sinó totes les possibles. 

Ara que sabem què és la polarització, i que no tots els fotons presenten la mateixa polarització, podem continuar parlant sobre els fotons bessons. 

Els fotons que són emesos per un mateix àtom i que anomenen amb el nom de fotons bessons comparteixen polarització. Hem de tenir en compte que els fotons no estan quiets, sinó que es mouen a la velocitat de la llum i, per tant, s’allunyen l’un respecte l’altre a una velocitat increïble. Però no ens ha de resultar estrany el fet que dos fotons bessons comparteixin polarització. El llibre “L’enigma quàntic”, de Bruce Rosenblum i Fred Kuttner, ens conviden a interpretar-ho de la següent manera: 

“No ens sorprèn que dos bessons idèntics exhibeixin el mateix color d’ulls, ja que els bessons idèntics són creats amb el mateix color d’ulls.” (p.162). 

No obstant, la mecànica quàntica afirma que si els fotons ens qüestió no són observats la seva polarització serà indefinida, però igual, és a dir, els fotons es troben immersos en un estat de polarització idèntic, però no particular. En el mateix llibre fan servir la següent analogia:

“Suposem que sempre que un bessó escull mitjons verds, l’altre també (encara que ningun d’ells tingui informació sobre el color dels mitjons del seu germà). Això sí seria estrany.” (p.162). 

Doncs això és el que passa amb els fotons bessons. Si observem un dels dos fotons i desvetllem la seva polarització, immediatament coneixem la polarització de l’altre, sense haver-lo d’observar. Si la polarització d’un fotó és X, la de l’altre serà X. Aquest fet tan fascinant sembla contradir la mecànica quàntica, ja que un dels pilars d’aquesta afirma que per conèixer la propietat d’un cos primer l’hem d’observar, i en aquest cas no ens fa falta. Això ens remet a l’article EPR, que es preguntava si la descripció mecanoquàntica de la realitat física podia considerar-se completa. El físic teòric danès Niels Bohr va oferir la resposta que veurem a continuació i que hem adaptat:

És cert que els dos fotons no poden exercir entre ells una pertorbació mecànica, però sí que entre ells existeix una influència instantània.

Albert Einstein va anomenar aquesta “influència instantània” amb el nom de “accions fantasmals”. No cal dir que el físic alemany estava totalment en contra de l’existència d’aquestes accions fantasmals, però, en els anys setanta, una sèrie d’investigacions van demostrar que les accions fantasmals de Bohr existeixen.  

Continua llegint »

L'acceleració dels cossos en caiguda lliure

Galileo Galilei va demostrar que l'acceleració amb què cauen els objectes al terra és la mateixa independentment de la massa d'aquests. La llegenda diu que, un dia de finals del segle XVI, va pujar fins l'últim pis de la Torre de Pisa per ensenyar el descobriment al seus companys. Es creu que Galileo va llençar alhora dues esferes de diferent pes per minimitzar la fricció, posat que l'esfera presenta una resistència a l'aire quasi bé nul·la; d'aquesta manera, el xoc d'ambdues amb el terra seria simultani. Però, l'esfera més pesada no hauria de caure més ràpid, al cap i a la fi, la força de la gravetat no depèn de la massa dels cossos? No, i ja veurem per què. Tot i això, ser inconscient d'aquest fet no és tan greu, si més no, des d'Aristòtil, filòsof grec del segle IV a.C, fins al segle XVI, es creia que era així.

No depèn del pes...

Aristòtil va enunciar que el temps que triguen els cossos llençats des d'una alçada determinada a impactar amb el terra és inversament proporcional a la seva massa, és a dir, quan més pesa un objecte menys triga. Seguint aquest raonament, ens podem imaginar una objecte esfèric tan pesat que, llençat des d'una alçada d'un quilòmetre, trigui menys d'un segon a impactar amb el terra. O un objecte que pesi tant poc que trigui anys en fer-ho. Bé, aquesta darrera suposició es dóna en el nostre planeta, però només perquè l'aire fa de coixí dels cossos que pesen menys que ell.

... depèn de la fricció.

L'aire és el culpable que una ploma trigui tant a impactar amb la superfície, en comparació amb la majoria dels objectes. El contacte entre l'aire i la ploma fa disminuir l'acceleració perquè la forma poc aerodinàmica d'aquesta redueix la caiguda, a part que és molt lleugera. Això és així perquè l'aire aplica una força en la superfície de la ploma amb la mateixa direcció però en el sentit contrari que ho fa la gravetat. Tan sols cal disminuir els punts de contacte de la ploma amb l'aire per fer que aquesta caigui més ràpid com, per exemple, fent d'aquesta una bola.

Alguns dels millors descobriments de Galileo ens parlen de la fricció, i de la necessitat de suprimir-la perquè es compleixin. Per exemple, la llei de la inèrcia, que diu que un cos en moviment per una superfície llisa en el buit (fricció nula) no s'atura mai. Hem de recordar que el buit perfecte en el nostre univers és impossible d'assolir, tal i com també ho és el zero absolut.

Amb la mateixa acceleració  

Energia cinètica i energia potencial gravitatòria 

Abans d'aclarir per què els cossos cauen en el buit amb la mateixa acceleració, hem de saber què són l'energia cinètica i l'energia potencial gravitatòria.

Energia cinètica: És l'energia que té un cos pel fet de tenir massa i estar en moviment. Depèn de la massa del cos i de la velocitat amb què es mou. Ecinètica= 1/2m·v^2. Com que la fórmula tan sols contempla la meitat de la massa d'un cos, un objecte que pesa quatre cops més que un altre i que viatja a la mateixa velocitat té el doble d'energia cinètica. En canvi, la velocitat elevada al quadrat implica que un cos que pesa el mateix que un altre però que es mou el doble de ràpid tindrà una energia cinètica quatre vegades major.

Energia potencial gravitatòria: És l'energia que té un cos pel fet de tenir massa i estar sotmès a un camp gravitatori. Depèn de la massa del cos i de la intensitat del camp gravitatori al qual es troba. La intensitat del camp gravitatori de la Terra és la constant G, que val  9,81. Epgravitatòria= m·g·h. 

Energia mecànica: És la suma de l'energia cinètica més l'energia potencial gravitatòria. És constant, és a dir, Ecinètica + Epgravitatòria = constant.

Primera pregunta: per què es produeix una acceleració?

És a dir, per què els cossos no es limiten a caure a una velocitat constant? La resposta és senzilla, posem un exemple per explicar-la.

Tenim una esfera de fusta en el terrat d'un edifici de 5 plantes, uns 15 metres. Podem conèixer el valor de l'energia potencial gravitatòria de l'esfera, ja que coneixem la massa d'aquesta (la podem mesurar), l'alçada que es troba respecte el terra i la G (constant gravitatòria). Multiplicant aquestes variables obtindrem el valor. També podem conèixer el valor de l'energia cinètica de l'esfera, que és zero, perquè hem de suposar que aquesta està quieta, no es mou. Què passa quan empenyem la pilota i aquesta comença a caure? Que l'energia potencial gravitatòria comença a convertir-se en energia cinètica. Recordem-ho, la suma d'ambdues energies ha de donar un valor constant. Suposem un punt de la caiguda, on la pilota es trobi a 10 metres del terra. En aquell punt, l'energia potencial gravitatòria haurà disminuït, ja que els 15 m ara seran 10, i, conseqüentment, l'energia cinètica haurà augmentat. A mesura que la pilota cau, l'energia potencial disminueix i l'energia cinètica augmenta, fins al punt que la potencial és zero i la cinètica té el valor que tenia la potencial abans de començar a caure. I quin punt és aquest? Està clar, el terra. 

L’acceleració és l’increment de velocitat amb el pas del temps. L’esfera ha accelerat perquè durant la conversió entre l’energia potencial i la cinètica s’ha produït un increment de velocitat. La velocitat ha augmentat amb el pas del temps perquè de la fórmula Ecinètica= 1/2m·v^2 tan sols pot variar la velocitat, posat que hem de considerar constant la massa del cos que cau. Així doncs, establim que els cossos experimenten una acceleració en caure perquè incrementen l'energia cinètica.

Segona pregunta: Per què tots els cossos experimenten la mateixa acceleració? 

Ara entra en escena un altre mestre de la física clàssica, Isaac Newton. Ell va ser qui va explicar el descobriment de Galileo. Per poder explicar la raó que va donar el físic i matemàtic britànic, haurem de familiaritzar-nos amb aquests conceptes:

Massa inercial o m: Mesura de la resistència d’una massa a un canvi de velocitat. La trobem en la fórmula F=m•a de Newton.

Massa o Massa gravitatòria o M: Mesura de la quantitat de matèria que crea la força de la gravetat.

En un cos, la massa inercial (m) és igual a la massa gravitatòria (M), tot i que conceptualment són diferents. La massa gravitatòria és la partidària a l’atracció, com hem definit, és la qual origina la gravetat, mentre que la massa inercial s’oposa a les forces que s’apliquen, i, com hem vist, apareix en l’equació de Newton que permet calcular la força que cal aplicar en un cos per accelerar-lo.

Tal i com va enunciar Newton, l’atracció gravitatòria que la Terra exerceix sobre un cos és proporcional  a la seva massa (M). Segons aquest raonament, els cossos haurien de caure amb diferents velocitats, en funció de la massa de cadascun (com creia Aristòtil), si no fos per la massa inercial que ho evita.

Un cos que pesa mil vegades més que un altre estarà sotmès a una atracció gravitatòria mil vegades major, però això també significa que la massa inercial serà mil vegades major, per tant, la resistència és molt més gran. Si es deixen caure dos objectes des d’una torre, els dos efectes s’anul·len, i ambdós toquen el terra al mateix temps.

Continua llegint »

Els orbitals del model atòmic de Bohr

Tot semblava indiciar que Ernest Rutherford havia elaborat el model atòmic definitiu quan va publicar els seus resultats a principis del segle passat. L’àtom de Rutherford no contradeia la observació: les partícules alfa xocaven contra un nucli molt pesat i positiu, que tenia els electrons orbitant en l’escorça. Probablement una versió més completa del seu model és la que inclou els neutrons, però de fet aquests no afecten la càrrega elèctrica de l’àtom. Això va ser al voltant de l’any 1911, i van caldre tan sols dos anys per que un físic danès anomenat Niels Bohr, que ja ha aparegut alguna vegada en anteriors entrades, modifiqués el model atòmic de Rutherford, fes veure que era incomplet i ajudés a comprendre el comportament de l’electró dins l’àtom.

La inestabilitat de l’àtom de Rutherford 

L’electromagnetisme clàssic ens diu que una partícula amb càrrega elèctrica que es mou tot descrivint una òrbita circular emet energia. L’electró encaixa perfectament en aquest perfil, ja que està carregat i es mou en òrbites circulars, i, no obstant, no radia energia. O sí? Pensem en les conseqüències: si un electró radiés energia perdria energia i no podria orbitar en l’escorça, ja que col·lapsaria cap al nucli a causa de l’atracció que manté amb els protons, formant un gran neutró (aquest és el principi de les estrelles neutròniques). No obstant, el propi Rutherford era conscient que això no passava en la naturalesa, atès que si fos així la nostra existència no tindria explicació. Significa que els electrons eren l’excepció? La resposta va venir de mans d’un físic danès, amant del futbol, anomenat Niels Bohr.

Els orbitals de Bohr

Niels Bohr, a l’edat de 28 anys, va estudiar amb precisió l’àtom d’hidrogen per a comprendre les línies espectrals dels gasos, que il·lustren com aquests emeten i absorbeixen energia. Com que l’àtom d’hidrogen està format per un protó i un electró, entendre el paper de l’electró en els espectres era més senzill. Bohr era conscient que un electró tenia la capacitat d’absorbir o emetre (perdre) energia, ja que era la interpretació que els entesos feien de l’espectre de l’hidrogen. No obstant, per a un sol electró que orbita en un àtom, perdre energia suposava col·lapsar en el nucli.I això, com ja hem vist, ho podem aplicar a tota la matèria, no tan sols a l’hidrogen.
A partir de les observacions, Bohr va elaborar un model atòmic on:

els electrons orbiten en nivells d’energia, també coneguts com a orbitals. Entre orbitals hi ha zones “restringides” en què no s’hi poden trobar electrons. 

Cada nivell d’energia només pot contenir un número limitat d’electrons, que es calcula a partir d’una senzilla fórmula: 2n^2. En el primer nivell d’energia caben 2 electrons, perquè 2x1^2=2, en el segon nivell caben 8 electrons, perquè 2x2^2= 8, i així successivament, i fins a elements com el Ununocti (Uuo) que té fins a 118 electrons.

En el model de Bohr, els radis de les òrbites dels electrons no poden tenir qualsevol valor, tal i com s’esperaria de les conclusions a les que va arribar Rutherford, sinó que tan sols estan permesos certs radis d’òrbita (com la vida en la Terra tan sols és factible amb un radi d’uns 150 milions de quilometres).
Un orbital on orbita un electró també es pot anomenar estat estacionari, que significa que l’electró en qüestió no emet ni absorbeix energia, sinó que es troba en un valor energètic fixe.

És important distingir la diferència entre òrbita i orbital. Una òrbita és la trajectòria que descriuen els cossos que es mouen en moviment circular uniforme, mentre que un orbital és un nivell d'energia ocupat per un o varis electrons, els quals al seu torn descriuen òrbites al voltant del nucli.

Absorció i emissió d’energia i salts quàntics
Quan un electró ubicat en un estat estacionari absorbeix energia puja de nivell energètic. Això és un pas d’un estat estacionari a un altre, i s’anomena salt quàntic. El salt quàntic pot ser en dues direccions: cap a nivells majors o nivells menors. Quan s’absorbeix energia, s’ascendeix a nivells majors, en canvi, quan s’emet, es baixa al nivell d’energia inferior, fins que en el primer estat estacionari no es pot perdre energia.
Per a no contradir el principi de la conservació de l’energia, quan un electró perd energia emet un fotó o varis fotons en funció dels sals quàntics que ha experimentat.
Un àtom excitat que experimenta un salt quàntic i redueix el nivell energètic és capaç d’emetre dos fotons. Com que aquests dos fotons provenen del mateix àtom, ambdós comparteixen característiques com la polarització o la longitud d’ona. Aquests fotons s’anomenen bessons, degut a les semblances que comparteixen.

Continua llegint »

El nucli atòmic de Rutherford

J.J.Thomson va introduir en l’àtom químic una càrrega negativa, l’electró, a finals del segle XIX, gràcies al seu treball amb els raigs catòdics. Com que l’àtom conegut era neutre, la càrrega (o càrregues) negativa havia d’estar contrastada per una càrrega positiva. Thomson va suposar que els seus electrons es trobaven immersos en una massa positiva, tal i com va il·lustrar en el seu model atòmic. No obstant, una dècada més tard, Ernest Rutherford, físic neozelandès, va demostrar la inviabilitat del model de Thomson gràcies a un experiment que ha passat a la història, i que trobem en qualsevol llibre de física de batxillerat.

L'experiment de Rutherford 

Hans Geiger i Ernest Marsden, dos dels deixebles de Rutherford, estaven mesurant en el laboratori Cavendish de Cambridge com afectava la presència d’una làmina d’or fina la trajectòria de varies partícules alfa. El seu objectiu era mesurar els angles de desviació de les partícules, els quals quedaven registrats en pantalles de sulfur de zinc, i determinar l'estructura de l'àtom. El seu mestre els va demanar que detectessin aquells casos en què les partícules alfa, que emanaven d’una font radioactiva, rebotaven al xocar contra la làmina d’or. Van detectar que tan sols 1 partícula de cada 8.000 tornava a la font que emetia la radiació alfa; la resta a penes s’alteraven al xocar amb els àtoms d’or. Això significava que, per motius desconcertants, un 0,01% de les partícules alfa es van estavellar contra una part de l’àtom capaç de retornar-les cap a la font. Aquest component de l’àtom químic havia de tenir unes característiques que es deduïen a partir dels resultats obtinguts en l’experiment. Havia de ser massiu, ja que era capaç de fer rebotar les partícules alfa amb força, i petit, posat que tan sols 1 de cada 8.000 xocaven amb ell.  Com que ja es coneixien els electrons, que eren negatius, el més probable era que Rutherford hagués topat amb la part positiva de l’àtom, i així ho va suposar. Així doncs, es tractava de quelcom dens i positiu, que formava part de tots els àtoms químics. Si els àtoms de la làmina d'or fossin tal i com els va descriure Thomson, gairebé totes les partícules alfa haurien rebotat, ja que haurien xocat contra quelcom milers de vegades més gran (el component positiu de l'àtom de J.J.Thomson ocupa el 100% del volum d'aquest).

Dos anys més tard... 

L’experiment amb la làmina d’or va ser l’any 1909. A principis de l’any 1911, Ernest Rutherford va publicar un article en què declarava l’existència del nucli atòmic. Aquest component de l’àtom era molt petit; aproximadament una milionèsima part del volum total. Era massiu; molt més que els electrons; i positiu; ja que repel·lia les partícules alfa, que tenen càrrega positiva.

El nucli de Rutherford era la segona subdivisió de l’àtom, que anys enrere es considerava indivisible. Aquesta subdivisió era molt més massiva que l’anterior, els electrons. Per ser exactes, un protó és 1836 vegades més massiu que un electró. A més, estava formada per dues partícules, els protons i els neutrons –aquests darrers es van descobrir a finals de l’any 1932. Els neutrons, al seu torn, són 1,00137 més pesants que els seus companys de nucli.


El model atòmic de Rutherford 

En entrades anteriors ja vam veure com, a partir dels seus experiments, Rutherford va descriure l’àtom. Tot i això, el podem recordar:
Els electrons es disposen en òrbites al voltant del nucli. Els electrons tenen càrregues negatives, i el nucli és positiu. La part descoberta per Rutherford tan sols representa una ínfima porció de l’àtom, la resta és espai buit. Si l'àtom tingués el volum d'un estadi de futbol, el nucli seria una moneda. El descobriment de Rutherford va permetre comprendre l’estructura de l’àtom, i va aplanar el camí a la revolució nuclear encapçalada pel treball d'Einstein. 

Continua llegint »

Els raigs catòdics i l'experiment de Thomson

Els raigs catòdics són corrents d'electrons lliures que, entre d'altes, exciten la fluorescència d'algunes substàncies. Van ser descoberts a mitjans de segle XIX, però la seva naturalesa no es va comprendre fins a finals del mateix segle. L'estudi dels raigs catòdics dut a terme pel físic J.J. Thomson va suposar el descobriment de l'electró. 

Hipòtesis sobre la naturalesa dels raigs catòdics 

El descobriment dels raigs catòdics a finals de la dècada de 1850 va meravellar els científics de l'època. Es va introduir un gas (aire, hidrogen, diòxid de carboni, etc.) a baixa pressió en un tub de vidre en el qual s’hi havia fet el buit. Prèviament, s’havien col·locat un parell d’elèctrodes (càtode i ànode) en l’interior de l’estructura tubular, que estaven connectats a una bateria externa. Quan s’aplicaven grans voltatges elèctrics al gas, es produïen unes resplendors, l’aspecte i grandària dels quals variaven a mesura que disminuïa la pressió. Quan la pressió del gas era força baixa, aquesta brillantor es transformava en un raig, que anava del càtode al ànode, la qual cosa significava que aquest raig posseïa càrrega elèctrica negativa, ja que l’ànode és positiu.

Aquests raigs misteriosos es van anomenar “raigs catòdics”, i el descobriment s’atribueix al físic alemany Julius Plücker.

Fins a 1895 es coneixien moltes propietats d’aquests raigs: es propagaven en línia recta, eren desviats per camps magnètics, travessaven làmines primes metàl·liques, etc. No obstant, aquestes característiques conegudes no responien la pregunta: 

Què eren els raigs catòdics?

Varis científics van presentar diferents hipòtesis per a respondre la pregunta. Alguns creien que es tractava d’una forma de matèria composta per molècules del gas present en el tub que havien adquirit càrrega de l’electricitat, altres consideraven que es tractava d’un tipus de matèria insòlita que mai s’havia aconseguit aïllar en un laboratori, i, de fet, aquest darrer pensament era el més pròxim a la realitat. 

Experiments previs al de Thomson 

Al voltant del 1895 varis científics creien que els rajos catòdics eren feixos de partícules. Un d’ells va ser el físic britànic Joseph John Thomson, recordat per la història com el descobridor de l’electró. Tot i això, va haver dos experimentadors que van aplanar el camí de Thomson al aproximar-se molt a la resposta; van ser Emil Weichert i Walter Kaufmann. Emil Weichert, científic prussià, va cloure el seu treball amb els raigs catòdics concloent que no es tracta dels àtoms químics coneguts, ja que la massa d’aquestes partícules és entre 2.000 i 4.000 vegades menor a la de l’àtom d’hidrogen, el més lleuger de tots. Weichert es va aproximar bastant amb aquesta afirmació, ja que era conscient que es tractava d’un tipus de partícula nou, però no va aconseguir trobar l’electró. Walter Kaufmann, científic alemany, va descobrir que la naturalesa d’aquesta partícula misteriosa era independent a la naturalesa del gas tancat en el tub; ja fos aire, hidrogen, diòxid de carboni,... el resultat dels seus càlculs era el mateix, però tampoc va aconseguir aïllar l’electró.

L'experiment de Thomson 

Josep John Thomson, premi Nobel de física, havia arribat a les mateixes conclusions que Weichert i Kaufmann quan, l’any 1897, va dur a terme l’experiment que el convertiria en un dels homes més importants de la ciència experimental. Pensava que eren rajos corpusculars, i sabia que la naturalesa dels corpuscles era independent a la del gas tancat en el tub. Amb tot això, va aconseguir fer un pas més que Weichert i Kaufmann en la cerca de la resposta, al trobar el valor de la quantitat de la càrrega i la massa inercial. En una llarga sèrie d’experiments, Thomson va obtenir el valor de dividir la quantitat de càrrega i la massa inercial, que era de 2,0x10^11 coulombs (els coulombs són la unitat de la càrrega elèctrica en el Sistema Internacional). Això va suposar el descobriment de l’electró. El terme “electró” va ser encunyat anys abans pel físic irlandès G. Johnstone Stoney, qui havia teoritzat sobre la possible existència de partícules negatives. 

Subdivisió de la matèria

El descobriment de l’electró significava que els àtoms eren divisibles, ja que, com a mínim, estaven compostos per aquest partícula (posteriorment es va descobrir el protó i el neutró). Fins a l’experiment de Thomson, es creia que els àtoms eren indivisibles. De fet, el terme àtom significa en grec “sense parts”. Thomson va afirmar que aquesta subdivisió de la matèria, és a dir, l’electró, és un ingredient de tota la matèria i part de la substància amb què estan fets els elements químics. A través d’aquesta afirmació, Thomson va elaborar el seu model atòmic, que ja vam veure en una entrada anterior, però que, esquemàticament, podem recordar com és: 

L’àtom està format per una massa positiva (color carn) que inclou els electrons, que són partícules negatives (color blau fosc).

Una de les principals aplicacions dels raigs catòdics és la generació d’imatges en els televisors antics. Gràcies a aquests, es van assolir millor resolució en les imatges i una major velocitat d’exploració. 

1 Les resplendors són les que podem observar en els tubs de neó.

Continua llegint »

L'origen de l'antimatèria i la seva cerca

En aquesta publicació veurem com els físics teòrics del moment intenten explicar l’existència d’antimatèria en el nostre univers a través de la teoria del Big Bang, i com la busquen a través de l'univers. 

Asimetria prèvia

Actualment es creu que en el moment del Big Bang hi havia tanta suma de matèria com d’antimatèria. Aquest fet s’anomena simetria, ja que ambdues eren presents en la mateixa quantitat. No obstant, un desequilibri va provocar que el total de matèria fos superior al d’antimatèria, la qual cosa va provocar una asimetria, degut que les quantitats eren diferents. El contacte que en algun moment es va produir entre els cúmuls va aniquilar tota l’antimatèria, i va deixar, a causa de la desigualtat, una petita quantitat de matèria. Aquest ínfim residu esdevindria, gràcies al Big Bang, en el que actualment és el nostre univers. Si no hi hagués hagut aquesta desigualtat, s’hauria produït una anihilació del cent per cent i els nostres àtoms no haguessin sigut possibles. Aquesta hipòtesi va ser proposada per primer cop pel físic rus Andréi Sájarov, amb la qual va deixar oberta la possibilitat que petites quantitats d’antimatèria es donin de forma natural.

En busca d’antimatèria

Trobar antimatèria de forma natural en el nostre univers evitaria la costosa tasca d’haver-ne de generar en els acceleradors de partícules. És per això que hi ha programes espacials vigents que cerquen fonts d’antimatèria explotables, com el PAMELA, que es dedica a buscar bosses d’aquesta cobejada font d’energia. De fet, s’han trobat fonts d’antimatèria en la Via Làctia però aquestes s’ubiquen a prop del centre de la galàxia, a més de 50 milions d’anys llum. Tot i això, les cerques d’antimatèria en el nostre univers han donat poc resultats. Si algun dia una d’elles obté el seu objectiu, serà sens dubte la portada de molts diaris.

També podríem obtenir antimatèria a través d’un meteorit que estigués flotant en l’exterior, però seria tremendament complicat extreure’n el material desitjat.

Rastres a seguir

Els científics, a l’hora de rastrejar bosses d’antimatèria, s’orienten per l’existència de rajos gamma d’alta energia provinents, en teoria, de la col·lisió entre poques quantitats de matèria i antimatèria. Quan es troben un electró i un antielectró, i s’aniquilen, produeixen rajos gamma d’1 milió d’electró volts. Aquests rajos gamma conduirien a petites collites d’antimatèria disponibles per a utilitzar com a font d’energia. Els físics experimentals han desenvolupat un mecanisme amb el qual emmagatzemar petites quantitats en la Terra. Aquest sistema està format per un capsula amb un parell d’electroimants en el cul i el revers de la tapa. Estan encarats els pols iguals, és a dir, o nord amb nord o sud amb sud. La repulsió creada per aquests potents electroimants genera en el centre de la càpsula un camp on pot orbitar l’antimatèria sense que entri amb contacte amb les parets d’aquesta, la qual cosa seria una desgràcia.  

Continua llegint »

L'antimatèria font d'energia del futur

L’àtom que hom estudia a classe de física està format per un nucli compost per protons, neutrons i electrons. En el model de Bohr, els protons tenen càrrega elèctrica positiva, els neutrons són neutres i els electrons, ubicats en la capa exterior de l’atòm, negatius. El fet que tots els àtoms tinguin electrons en l’escorça, i que aquests siguin negatius, evita el col·lapse atòmic, és a dir, una verdadera desgràcia, ja que gràcies a la repulsió entre els àtoms que formen un cos tenim els sòlids, els líquids i els gasos. Què passaria si un àtom amb electrons negatius es trobés amb un d’electrons positius? Com que les càrregues oposades s’atreuen, ambdós àtoms s’aniquilarien mútuament, deixant d’estela una gran quantitat d’energia deduïda a partir de la famosa equació d’Einstein. Aquesta energia podria ser utilitzada per a alimentar coets, acceleradors de partícules i, fins i tot, abastir ciutats senceres. D’aquesta manera es podria prescindir de l’energia nuclear, la tèrmica i totes aquelles considerades no renovables i principals causants del canvi climàtic. Així doncs, a partir de colisions controlades entre àtoms amb carregues oposades s'obtindria una quantitat enorme d'energia disponible. Ara ens preguntem: és possible aquest escenari per a un futur no molt llunyà? Sí, gràcies a l'antimatèria. 

L’antimatèria, l’antiàtom i una gran font d'energia. 

L’antimatèria difereix tan sols de la matèria ordinària en un aspecte: la càrrega elèctrica. Així doncs, un antiprotó és un protó amb càrrega negativa, un antielectró, també anomenat positró, té càrrega positiva, i un neutró, com que té càrrega neutra (és nul·la) és la seva pròpia antipartícula. L’existència d’antipartícules origina antiàtoms. Un antiàtom d’oxigen està format per vuit neutrons, vuit positrons i vuit antiprotons. El contacte entre un àtom d’oxigen i un antiàtom d’oxigen esdevindria en l’escena anteriorment plantejada. Ambdós àtoms es destruirien i provocarien una alliberació d’energia en forma de radiació gamma igual al producte de la seva massa per la velocitat de la llum al quadrat. Amb quantitats majors d’antimatèria es podria crear una bomba que convertís en energia el 100% de la seva massa, a diferència de com fan les bombes nuclears, que tenen una eficiència de l’1%. Aquestes bombes tindrien un poder destructiu inimaginari. 

L’existència de l’antimatèria és conseqüència de l’equació E=mc^2. Paul Dirac, físic britànic del segle passat, a l’adaptar l’equació d’ones d’Schrödinger per a electrons amb alta velocitat, va comprendre que E=-mc^2 era, teòricament, tan vàlida com l’equació original de la relativitat d’Einstein, simplement implicava l’existència d’energia negativa. Aquest enunciat de voltants dels anys 20 va ser acompanyat, pocs anys més tard, pel descobriment de l’antielectró, i al 1955, pel descobriment de l’antiprotó. A partir d’aquell moment es va considerar sèriament la possibilitat d’alimentar ciutats senceres amb grams d’antimatèria. No obstant, generar tals quantitats d’antimatèria arruïnaria totes les nacions del món. Tal i com afirma Michio Kaku en el seu llibre Física de l'impossible, “un gram d’antimatèria costaria uns 62,5 billons de dòlars”. Això es deu a la increïble quantitat d’energia que precisaria un accelerador de partícules per a generar tals quantitats d’antimatèria. 

L'antigravetat 

Pot l’existència de l’antimatèria originar antigravetat? La resposta que ofereix la ciència actualment és: no. 

Es creu que la gravetat es deu a unes partícules anomenades gravitons. Aquesta partícula hipotètica seria la transmissora de la interacció gravitatòria. Tal i com els neutrons, els gravitons no tenen càrrega elèctrica, per la qual cosa un gravitó és al mateix torn un antigravitó. Així doncs, segons la física quàntica actual, l’antigravetat funcionaria exactament igual que la gravetat que ens atrau cap al centre de la Terra. És per això que la imatge de pomes que surten disparades del terra cap a l’aire és, segons els criteris actuals, inconcebible.

Per saber-ne més... 

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Antimatter_Explosions_2.ogv

En aquest enllaç trobareu un vídeo en el qual, en anglès, s'explica com els científics detecten bosses d'antimatèria en l'espai exterior. 

Continua llegint »

Com la gravetat afecta la llum i la demostració de la teoria d'Einstein

A principis del segle passat, Albert Einstein va revolucionar totalment el concepte “gravetat”, que els intel·lectuals havien adquirit de les mans de Sir Isaac Newton, personatge que en el seu moment també innovà en interpretar aquella força misteriosa que mantenia la Terra en òrbita amb el Sol. Aquest panorama de canvi el va provocar el físic alemany al tractar la gravetat, no pas com una força, sinó com una distorsió de la geometria de l’Univers. Així doncs, la transició de la interpretació de la gravetat va experimentar un “desplaçament” que es va iniciar en temps de Newton, i que va finalitzar ens els dominis de la subtil intel·ligència d’Einstein. 

Quan parlem de la geometria de l’Univers ho fem, ni més ni menys, del teixit espai-temps, aquell en el qual s’hi relacionen dos conceptes que abans de la teoria d’Einstein eren totalment impossibles de ser aparellats. Anunciar que els camps gravitatoris del nostre cosmos vénen determinats per la deformació d’una misteriosa tela que deforma tot l’univers, i a més, poder-ho demostrar, lògicament va catapultar a la fama a aquell que ho havia publicat, és a dir, Albert Einstein.

En aquesta pàgina ja hem parlat de deformacions del teixit espai-temps, motiu pel qual no ens hauria de resultar estrany evocar-nos en les teories d’Einstein i intentar entendre-les (Pots utilitzar el cercador del blog per moure’t entre les diferents entrades del tema). També hem vist com Einstein agafa el llegat del matemàtic alemany Georg Riemann (qui ens diu que no sempre els angles interiors d’un triangle sumen 180º o que el diàmetre d’una circumferència pot no ser 3,14 pel radi) per il·lustrar en les seves matemàtiques com la deformació de l’espai provoca l’aparent aparició d’una força misteriosa.

Els habitants del món pla

Fem un incís per recordar com la distorsió de la geometria provoca l’aparició d’una força de característiques semblants a la de la gravetat.

En un full de paper dibuixem dos o tres ninots. Suposem per un moment que aquests simples dibuixos esquemàtics cobren vida, de manera que, per a ells, el seu món és un full de paper bidimensional, totalment pla, i el cel el formen les mirades dels curiosos del nostre Univers que s’hi aproximen. Ells, els ninots, tan sols es poden moure en les dues dimensions dreta-esquerra, amunt-avall, de manera que els hi és impossible aixecar-se del full. Si dobleguem el paper en el qual viuen, els ninots, quan intentin caminar en línia recta, descobriran una nova sensació (una força) que els fa oscil·lar a dreta-esquerra, i de la qual no se’n poden escapar. Per a ells, una força estranya els impedeix anar rectes, i constaten que són constantment empentats per una força que, en determinats sectors, i de manera incomprensible, és més intensa que en altres. Nosaltres, en canvi, constatem que la deformació del full és la que provoca l’aparició d’aquesta “misteriosa força”. Així doncs, no cal anar més lluny, no cal buscar una font on s’origini aquesta força, ja que aquesta és, al cap i a la fi, la deformació del seu espai.

Desitgem amb aquesta breu descripció haver aclarit com, bàsicament, la deformació de la geometria d’un Univers provoca l’aparició d’una força.

Demostració experimental de la teoria d’Einstein

La teoria de la relativitat general d’Einstein va cobrar fama internacional gràcies, principalment, a dues demostracions. La primera, i és la que a continuació desenvoluparem, fa referència a la curvatura dels rajos de llum per la presència d’un intens camp gravitatori, i la segona està relacionada amb una estranya desviació de l’òrbita de Mercuri, cosa que intentarem explicar en futures publicacions.

Eclipsi solar de 1919

Després de varies confrontacions intel·lectuals internes de la ment d’Einstein respecte el seu treball, aquest va culminar una de les obres mestres de la física l’any 1915; la teoria de la relativitat general, que es postularia com a correcta interpretació de la gravetat gràcies a un seguit d’observacions.

Newton va anunciar que la gravetat, tal i com provoca canvis en les trajectòries dels cossos, havia de pertorbar també la trajectòria de la llum. No obstant, degut a la tecnologia que es posseïa en el segle XVII, la hipòtesi del físic britànic no va poder ser comprovada. Einstein, segles més tard, tornaria a agafar la hipòtesi de Newton com a eina per a demostrar la seva teoria. Ell estava segur que si s’observaven amb atenció els rajos provinents de grups d’estrelles quan aquests eren pertorbats pel Sol i quan no ho eren, es detectaria un canvi en la trajectòria d’aquests, a causa, segons Einstein, de la pertorbació que imposava la presència del Sol.

Per a observar aquesta pertorbació era necessari obtenir fotografies d’un conjunt d’estrelles en la nit, quan les trajectòries dels rajos de llum no fossin afectats pel Sol, i pel dia, quan la posició del Sol pertorbés la trajectòria de la llum. Com que de dia la llum del Sol encegaria la llum de les estrelles en qüestió, era imprescindible realitzar la medició diürna durant un eclipsi de Sol, quan la Lluna s’ubiqués davant del Sol i permetés observar la llum de les estrelles estudiades.

El 29 de maig de 1919, Sir Arthur Eddington, astrofísic anglès, va portar a terme les mesures a les quals Einstein n’esperava el resultat aprofitant un eclipsi solar. Malgrat algunes imprecisions, la teoria d’Einstein fou confirmada.

Després d’això, les portades dels diaris es van omplir amb titulars com :”Nova teoria de la gravetat” o “La teoria de Newton és errònia”, provocant la instantània fama mundial del nostre estimat Albert Einstein.

Continua llegint »

Caiguda lliure dels cossos

Diu la llegenda que, un dia de finals de segle XVI, Galileu Galilei va pujar a la part més alta de la torre inclinada de Pisa, que en aquella època presentava una inclinació menor a l’actual, per a demostrar un fet que ell fermament defensava. El físic, matemàtic i filòsof italià opinava que l’acceleració de caiguda d’un cos no depèn de la massa d’aquest, sinó de la fricció a la qual el cos és sotmès en el moment de la caiguda. 

Diuen que Galileu va llençar un seguit de cossos des de la part més alta de la torre inclinada que presentaven diferents masses, però de la mateixa forma. Per sorpresa dels assistents, els cossos xocaven a la vegada contra el terra, o el que és el mateix, anaven a la mateixa velocitat. 

Tan sols aplicable en el buit 

Si en el buit deixem caure una ploma i una bola de billar des del mateix punt, ambdós cossos cauen a la mateixa velocitat. Especifiquem “en el buit” ja que sinó, és a dir, si fos en l’aire, actuarien les forces de fricció de les molècules de l’aire contra els cossos, les quals delimitarien les velocitats de caiguda de la ploma i de la bola de billar, fent que aquesta segona impactés abans contra el terra, i la ploma segons més tard. En el buit, i això és el què defineix la caiguda lliure, tan solos hi actua la força de la gravetat. 

En el següent vídeo es deixen caure una moneda i una ploma, primer en l’aire i després en el buit. 

Això demostra que la velocitat amb la que un cos cau en el buit no depèn de la seva massa, sinó de la força amb que la terra, en el nostre cas, l’atreu, que és una constant anomenada G (9,82m/s2). 

Galileu coneixia perfectament com la fricció delimita la velocitat d’un cos. L’experimentador italià va jugar amb una sèrie d’inclinacions que presentaven diferents friccions, en funció de la naturalesa de la superfície de cada pla inclinat. Quan més rugosa era, abans s’aturava el cos que deixés caure. De manera que va idealitzar el concepte d’un pla inclinat ideal, aquell que presenta una superfície totalment llisa, i on tan sols és necessari donar una empenta a una pilota per a què aquesta no tingui motiu per cessar de moure's, transcrivint un moviment rectilini uniforme (evidentment, Galileu va idealitzar aquest pla totalment llis en el buit). 

Galileu també va constatar que existeix una relació entre el temps i el desplaçament en la caiguda. Va observar que al deixar caure un cos, al cap d’1 segon s’havia desplaçat 1 interval d’espai determinat, que passava a ser 4 cops major al segon 2, i que en el 3 era de 9, en el 4 de 16, etc, és a dir, que l’espai incrementava el quadrat del temps. 1 segon, 1 metre; 2 segons, 4 metres; 3 segons, 9 metres (1^2,2^2,3^2, etc.). 

La demostració de Galileu va desbancar el pensament d’Aristòtil envers la caiguda lliure, que fins llavors persistia, i que defensava que la velocitat experimentada per cada cos en caiguda lliure era proporcional al seu pes. De fet, el filòsof grec, es va basar en el què observava en els cossos deixats anar en l’aire, mentre que Galileu va visualitzar un espai on tan sols hi té lloc la força de la gravetat, excloent les de fricció, és a dir, el buit. 

Continua llegint »

Llei de Hooke

Tots aquells que realitzen la temerària activitat urbana d’orígens britànics anomenada “salt de pont” (puenting, en castellà) estan en deute amb Robert Hooke (1635-1703), qui a mitjans de segle XVII va publicar la llei de Hooke, famosa llei física aplicada als materials elàstics. Aquests intrèpids deuen les pujades d’adrenalina a aquest britànic degut a què, si no fos per la seva contribució, o bé no podrien practicar aquest esport extrem o bé no estarien vius per a experimentar-ho, posat que no hi hauria la manera de calcular el comportament de la corda respecte la distància al terra.

Al voltant de 1660 Robert Hooke va constatar que existeix una relació proporcional entre l’estirament d’un cos elàstic (com una molla) i la força aplicada, de manera que quanta més força apliquem a un objecte elàstic més s’expandirà i viceversa. Hooke va anomenar aquesta troballa com a “la llei de Hooke”, que se sintetitza en una fórmula molt simple, en la qual hi intervenen tres factors: la força, l’estirament i la constant d’elasticitat.

                                                                          F=K•ΔX

Així de simple és l’expressió matemàtica que ens ve a dir que si volem conèixer la força aplicada a un cos elàstic que s’està estirant, tan sols hem de multiplicar el increment de l’allargament (x) per la constant d’elasticitat (K).

Constant d’elasticitat

La constant d’elasticitat és una constant característica de cadascun dels cossos elàstics, de manera que dues molles no idèntiques, per exemple, no han de per què tenir la mateixa constant, donat que ve determinada en funció de la naturalesa de cada cos elàstic. Això significa que dues molles amb diferent constant d’elasticitat al aplicar-les la mateixa força experimentaran un allargament diferent.

És molt senzill calcular la constant d’elasticitat d’una molla, ja que no requereix material més complexe que una molla, un punt de suport, un regle i diversos pesos de pes determinat.

Com calcular la constant d'elasticitat d'una molla
Primer s’ha de mesurar la longitud de la molla abans de què nosaltres li apliquem qualsevol força (la qual cosa ens proporcionarà l’estirament inicial). Podem prosseguir afegint-li un pes de 0,5 newtons (50 g) i anotant l’estirament experimentat per la molla. Continuem afegint-li un altre pes de 50 g, de manera que amb doble de pes la molla s’haurà estirat el doble, tal i com s’estirà el triple si li afegim una altre pes de 50 g, i així successivament.

Alerta!!

Poden haver incoherències en els resultats. Suposem que hem afegit 0,1 newtons i anotem el resultat de l'estirament, i al afegir 0,2 newtons esperem que s’hagi estirat el doble, i no és així. Doncs bé, Hooke ja va enunciar que existeixen uns límits anomenats límits d’elasticitats. La llei de Hooke és vàlida sempre que no es traspassin aquests límits d’elasticitats (també variables en funció de les molles). Pot ser que la força aplicada sigui insuficient com per a què la llei de Hooke sigui vàlida, com també pot ser que la força sigui tan gran que al desaparèixer, la molla no torni a la forma inicial (perdent el principi d’elasticitat).

Els objectes que obeeixen a la llei de Hooke, com la molla, es poden utilitzar per a mesurar forces. El dinamòmetre n’és un exemple. Està format per una molla col·locada en un tub graduat en newtons.

1. Els newtonsn són la unitat de força del sistema internacional (1 kg són 10 Newtons en la Terra). 

Continua llegint »

Naixement i funcionament d'una estrella

La qüestió de com s’han format les estrelles ha tingut entretinguts a tota una sèrie d’astrònoms que han procurat oferir resposta des del moment en què es demostrà que no eren immutables, quelcom del qual no en fa gaire temps, doncs des de l’època d’Aristòtil, que creia en la immutabilitat de les estrelles, fins als segle XVI ningú se’n va preocupar.

El Sol és una estrella mitjana que actualment es troba en la meitat de la seva activitat productiva, ja que té 4.600 milions d’anys i s’espera que en visqui uns altres 5.000 milions. Durant tot aquest temps ha estat capaç d’alimentar al planeta Terra amb tan sols una mig milmilionèsima part de l’energia que emet. Així és, de l’energia que el Sol desprèn cap al cosmos, nosaltres tan sols en rebem un 0,0000000005%. Tot i això, encara un 25% d’aquesta xifra tan insignificant la reflecteix el nostre planeta altre cop cap a l’espai. No obstant, els científics calculen que el 75% d’aquesta mig milmilionèsima que ens arriba diariament és equivalent a unes deu mil vegades el consum energètic industrial del món en un sol dia (i recordem que el Sol tan sols és una estrella mitjana). - És lògic que tinguem curiositat per saber d’on prové tota aquesta energia!!-.

Segurament aquestes xifres eren desconegudes en el moment en què els astrònoms van començar a plantejar-se la formació i origen d’una estrella, però tot i això ja s’havien adonat del seu immens potencial.

D’on prové l’energia d’una estrella?

Primers intents

El primer intent de resposta va ser del físic alemany Julius von Mayer, que creia que l’energia del Sol era alimentada pels constants meteorits que es precipitaven en la seva superfície. Ben aviat es va demostrar que aquesta teoria era insuficient.

Una altra solució va ser oferta pel també físic alemany Hermann von Helmholtz. Aquesta semblava més lògica, ja que deia que l’energia calorífica del Sol provenia de la seva pròpia contracció per l’efecte de la gravetat. No obstant, a través de càlculs, es va demostrar que si fos així fa 25 milions d’anys el Sol hauria hagut de tenir un volum tan gran que hauria sobrepassat l’òrbita del planeta Terra, fet que, evidentment, no va succeir. 

Trobant la resposta en els àtoms

La resposta fou clara al voltant dels anys 30, moment en què ja s’havien desenvolupat les bases de l’energia nuclear. Els treballs de Sir Arthur Eddington ho mostraren:

L’energia d’una estrella prové del seu interior, lloc on es produeix la conversió d’hidrogen en heli per fusió nuclear.

Això significa que una estrella deu la seva existència a la transformació d'hidrogen en heli, procés en el qual s'aconsegueix l'energia suficient com per mantenir-la en funcionament.D’aquesta manera una estrella és capaç d’emetre energia i brillar durant milions d’anys (temps que varia en funció de la seva grandària) i de manera contínua. 

Per a què dos àtoms d’hidrogen formin un d’heli es necessiten unes temperatures enormes (entre 10 i 20 milions de graus centígrads), ja que es necessiten vèncer les forces electromagnètiques de repulsió entre els nuclis d’hidrogen, qüestió que vam veure en l'entrada anterior.

Al conèixer d’on prové la immensa quantitat d’energia d’una estrella, anem a veure com es formen. 

Naixement d’una estrella

Les estrelles neixen a partir de la condensació d’un núvol còsmic. Els núvols còsmics estan formats per hidrogen (un 79%), heli (un 20%) i un 1% restant format per partícules i gasos que formen l’anomenada “pols còsmica”.

Quan aquest núvol còsmic es condensa en una regió de l’espai, per l’efecte de la gravetat dóna lloc a una estrella. Al comprimir-se aquest núvol, les temperatures que presenta són tan elevades que s’hi dóna lloc la fusió nuclear, que a la vegada incrementa l’escalfament.

Després del seu naixement, la conversió d’hidrogen en heli (el seu combustible) ocuparà la major part de la seva vida, durada de la qual dependrà de les seves dimensions: una estrella com el Sol té una esperança de vida d’uns 10.000 milions d’anys, mentre que una que és 5 vegades la massa solar viurà 100 milions d’anys. 

1 La fusió nuclear és el procés invers a la fissió nuclear, amb la qual funcionen actualment les centrals nuclears, i que consisteix en trencar un nucli atòmic.

Continua llegint »

L'electromagnetisme i la humil gravetat

Quan un cos, per exemple una pilota, cau des de la part superior d’un edifici, posem de 10 metres, a la vorera de la carreta, ningú s’espera que el cos en qüestió travessi el terra i vagi a parar al nucli, que aporta una gran quantitat de massa al planeta Terra, i on trobaríem l’origen de l’atracció gravitatòria que aquesta exerceix sobre tots els cossos pròxims a la superfície. Què ha impedit que la pilota no es precipiti cap al centre de la Terra? Bé, de fet, ha estat així, la pilota s’ha precipitat cap a un nucli compost principalment per ferro i níquel (materials molt densos), però un simple tros de voravia ho ha evitat.

Si analitzem les forces que intervenen en l’escenari esmentat, ens trobem amb dues: una que atrau la pilota i que fa que aquesta es precipiti contra el terra, i una altra que evita que aquesta vagi a parar a l’origen terrestre de la primera força. Evidentment que una d’elles, la que fa que la pilota caigui, és la gravetat, donat que Newton va establir que aquesta era la causant de què les pomes caiguin al terra. La segona força que intervé potser costa més de desvetllar (sempre i quan no hagis llegit el títol de l’entrada). A diferència de la gravetat, és una força característica del microcosmos, per la qual cosa el seu nom pot resultar “sofisticat”. L’electromagnetisme impedeix que les pilotes arribin al centre de la Terra, de manera que benvingut sigui.

Càrregues que es repel·leixen

Ens resultarà més fàcil explicar aquest apartat si tornem al cas de la pilota. Per què la pilota no arriba fins al centre de la terra, ens preguntem. Doncs bé, la resposta és senzilla.

En la capa externa de l’àtom hi trobem els electrons, partícules amb càrrega negativa. No creiem que ningú s’oposi a la idea de què tant la pilota com la vorera contenen àtoms, si més no, ja des de primària s’ensenya que “tot està fet d’àtoms”. Què passa quan els àtoms de la pilota intenten travessar els àtoms de la voraria? Que es produeix una repulsió. Les escorces dels àtoms d’ambdós cossos tenen càrrega negativa, i, en electricitat, així també com en magnetisme, càrregues iguals es repel·leixen, de manera que la carretera crea una espècie d’escut que evita que la pilota entri en contacte amb la font gravitatòria.

La força gravitatòria de la Terra es veu superada per les interaccions electromagnètiques que provenen d’una voravia. Si un tros de carrer és capaç de superar tot un planeta Terra, significa això que la gravetat és menys potent que la força electromagnètica? Sí. De fet, l’electromagnetisme és milions de vegades major que la gravetat. Una poma cau d’un arbre perquè la Terra l’atrau, però per a evitar que aquesta es faci malbé, simplement posant la mà, ja aconseguim que aquesta no entri en contacte amb el terra, de manera que una mà ha superat un planeta, però tan sols perquè l’electromagnetisme és superior a la gravetat.

El llibre La partícula divina de Leonard Lederman i Dick Teresi ens brinda un exemple que ens serà molt útil per a comparar l’atracció de dues cossos quan hi intervé la gravetat i quan hi intervé l’electromagnetisme.

Tenim dues partícules. Quan hi intervé la força de la gravetat separem les dues partícules a una distància de dècimes de mil·límetre. Quant hauríem de separar les partícules per a què la força electromagnètica s’iguali a la gravitatòria? Resposta: 50 anys llum.

Continua llegint »

La teletransportació (III)

En la primera part d'aquest seguit d'entrades vam tractar sobre la teletransportació que utilitzava la nau de l’Enterprise i que bàsicament es basava en copiar la informació d’un individu, destruir-lo, enviar aquesta informació al punt de destinació i allà recrear-lo. No obstant, vam veure que aquest mètode és prohibit per un dels grans fonaments de la física: El principi d’Incertesa de Heisenberg (recordem que aquest no permetia conèixer la posició i la velocitat d’una partícula alhora, factors que són imprescindibles si volem teletransportar matèria a l’estil Star Trek). 

En la segona part vam intoduir el concepte d'entrellaçament quàntic, i vam avançar que, gràcies a aquest entrellaçament, existeix un mètode factible per a la teletransportació de matèria, però totalment diferent als mètodes que acostumen a omplir les planes dels llibres de ciència ficció.  .

Vam veure com el terme entrellaçament fa referència a un estat de la matèria en el qual si varis objectes es troben entrellaçats no és correcte dir que són objectes diferents, sinó que formen part del que anomenem un “mateix sistema”. Per exemple: si dues boles de billar es troben entrellaçades tenim un sol sistema compost per dues boles de billar. L’entrellaçament implica d’alguna manera que canvis en un objecte afectin simultàniament a l’altra. Un exemple que no s’escau gaire però que ens servirà per fer-nos una imatge mental, és que si nosaltres pintem una de les dues boles de billar de color vermell (suposant que són negres), l’altra, instantàniament, s’haurà tornat de color vermell. Evidentment que això a escala gran és molt difícil d’imaginar, però penseu que els entrellaçaments bàsicament es donen en el que es coneix com el microcosmos, o sigui, els àtoms, els fotons... en fi, partícules, que arriben a ser milers de milions de vegades més petits que un sol gra de sorra.

(Imagina't que les boles de billar són electrons) 

 Doncs bé, anem a explicar com funciona la teletransportació per entrellaçament quàntic.

Suposem que tenim dues boles de billar, les anomenarem A i C, i que volem teletransportar la bola A a la bola C. Per fer-ho utilitzarem una bola neutral i l’anomenarem bola B. Aquesta bola B està entrellaçada amb la bola C, són idèntiques, i per tant podem afirmar que comparteixen la mateixa informació. Si bola de billar B s’altera, la bola de billar C també s’altera, i viceversa. El que farem amb la bola B és posar-la en contacte amb la bola A, de manera que aquesta li transmetrà tota la seva informació amb la bola B. El panorama que ara tenim és una bola sense informació (la A), una altra bola que està entrellaçada amb la C i que conté la informació de la A (que és la B). Com que hem dit que canvis en la bola B també es produirien en la bola C,  ja que hem dit que estan entrellaçades, quan la bola B ha absorbit la informació de la bola A, la bola de billar C també l’ha absorbida. Ara, com que la bola C serà idèntica que la bola A, ja podrem afirmar que la bola A sigut teltransportada. 

Fixeu-vos que en aquesta ocasió no ha calgut haver de copiar la informació i haver de destruir i recrear un objecte, com ho feien els de l’Star Trek.

Continua llegint »

La teletransportació (II) Introducció a l'entrallaçament

Veure: La teletransportació (I)

En l’anterior entrada vam veure com la ciència desmenteix el mite de la transportació a distància a l’estil ciència ficció, a través del Principi d’Incertesa de Heisenberg, establint que no podem transmetre tota la informació d’un individu o cos. Tot i això, en cap moment es va parlar de què aquest gran mètode de transport fos del tot impossible, i que mai pogués ser dut a terme per les futures generacions. Sí és cert que el que segurament resulta ser el mitjà més pràctic per a poder teletransportar matèria és precisament el que no es pot efectuar, però la mecànica quàntica treballa des de ja fa uns anys amb un aspecte curiós d’aquesta branca de la física anomenat: Entrellaçament quàntic.

EPR

L’entrellaçament quàntic descriu un estat de connexió entre matèria donat gràcies al seu estat de coherència, i, a través del qual, poden transmetre informació a velocitats superiors a la de la llum. Va néixer com a resposta a la conjetura d’Einstein, Boris Podolski i Nathan Rosen envers la integritat de la teoria quàntica, ja que, de fet, volien demostrar que aquesta era incomplerta. L’article, que ja va ser tractat en aquest blog, portava per nom: ¿Pot considerar-se completa la descripció de la realitat física que dóna la mecànica quàntica? Tot i que és més coneguda per les sigles EPR (els cognoms dels tres teòrics).

EPR suposava un experiment mental en el qual es produïa un intercanvi d’informació que superava la velocitat de la llum, contradient d’aquesta manera el que Albert Einstein havia establert uns anys abans, ja que es coneixia el verdader estat d’un cos (és a dir, es col·lapsava la funció d’ona) que es trobava a milers d’anys llum de l’observador. Està relacionat amb dos o més cossos que comparteixen una característica intrínseca, com per exemple el següent cas:

Un individu té dos ous de gallina, un pintat de color vermell i l’altre pintat de color verd. Es posa un ou a cada mà i la tanca, sense que nosaltres hàgim pogut conèixer la posició de cada ou. Obre una mà i ens ensenya l’ou vermell, de manera que sabem que a l’altra mà s’hi troba l’ou verd. Nosaltres no hem observat l’ou, de manera que no hem col·lapsat la seva funció d’ona, però ja sabem de quin color és.

El que aquest exemple vol fer veure és que no cal col·lapsar la funció d’ona d’un cos per conèixer la seva naturalesa o una característica, com en aquest cas el color, si aquesta característica, o el conjunt de característiques, es pot establir d’un cos que té característiques intrínsicament relacionades. En el cas de partícules, es va treballar amb partícules que sorgien d’una partícula mare i que compartien característiques oposades com l’espí. Si els espins eren amunt i avall, i una partícula observada era espí amunt, no calia col•lapsar la funció d’ona de l’altra per saber que era espí avall.

Però, ¿què significa “no cal col·lapsar la funció d’ona”?, a cas no contradiu això un dels fonaments de la mecànica quàntica?

Aquí és on la teoria quàntica brinda l’entrellaçament quàntic establint que, de fet, sí que es col·lapsa la funció d’ona.

Tornem al cas de les partícules i els espins. Una partícula la deixem en un punt A, i l’altra en un punt B, situat a milers d’anys llum del punt A. Col·lapsem la partícula del punt A i resulta que és la de l’espí amunt, de manera que ja coneixem la naturalesa de la partícula situada en el punt B sense necessitat d’haver-la observat. En aquest aspecte la mecànica quàntica no es desmarca del fet d’haver de col·lapsar la funció d’ona per conèixer la naturalesa d’un cos, i afirma que la funció d’ona del punt B sí ha sigut col·lapsada. Però com?

La resposta que es va oferir a la suposició EPR, i que no va acontentar gens als seus creadors, fou que existeix una connexió quàntica, com un fil, entre les partícules A i B, en el qual quan col·lapsem A, aquesta envia un missatge de manera instantània a B dient-li que col·lapsi la seva funció d’ona (recordem que A i B estan separats per milers d’anys llum). Això sembla contradir la idea de què res pot superar la velocitat de la llum, però, de fet, no és del tot així, ja que la informació que es transmet entre A i B és la classificada com a “informació inútil”, que respon a característiques d’aleatorietat i que es troba al marge del que Einstein considerava “matèria”.

En la tercera part veurem com l’entrellaçament quàntic s’aplica en la teletransportació

Continua llegint »

La teletransportació (I)

El verdader motiu pel qual en la sèrie Star Trek la teletransportació era el principal mitjà de transport no residia en una qüestió tècnica de l'argument que completés la història, sinó de recursos econòmics, ja que els efectes especials que s'haurien d'haver utilitzat per a fingir l'arribada de la nau Enterprises en un planeta llunyà eren massa cars. Això demostra que per tant la teletransportació no era la primera idea que els hi va passar pel cap en els guionistes de la sèrie, sinó que més aviat era un pla B. Segurament per això la teletransportació a "l'estil Star Trek" no era gaire fidel a les lleis físiques que llavors ja es coneixen. Si més no, molt sàviament, els tripulants de la nau Enterprises comptaven amb un artefacte que compensava, precisament, la llei que prohibia els seus transportaments a distància.

Xocant amb un mur anomenat principi d'Incertesa

La llei que presumptament vulnerava la sèrie Star Trek al permetre la teletransportació de la manera que ho feien ells (a continuació veurem de què es tractava), i que per tant era compensada per un sofisticat artefacte, és un dels fonaments de la mecànica quàntica: el famosíssim principi d'Incertesa de Heisenberg. Recordem que el principi d'Incertesa de Heisenberg no permet conèixer la posició i la velocitat d'una partícula simultàniament i amb precisió. De fet, quan més procurem conèixer una de les dues variables menys coneixem de l'altre. Com que en una entrada ja vam explicar aquest fenomen, ens saltem una bona tros i anem directament a explicar en què consistia la teletransportació a "l'estil Star Trek", o grosso modo, la teletransportació de la ciència ficció.

La teletransportació en la petita pantalla

El mètode seguit pels tripulants de l'Enterprise fa així:

Un individu que desitja aparèixer al planeta ZYQ4 se sotmet a un escàner en el que són analitzades totes les partícules del seu cos, captant la principal informació, és a dir, la posició, la velocitat i l'energia en un període de temps determinat. Un cop aquestes dades han sigut captades, l'individu en qüestió és eliminat, per tant, podem dir que ha mort. No obstant, des del punt de vista escèptic, podem dir que la informació captada a priori és en si l'individu actualment desaparegut. Per a recuperar-lo, s'envien les dades anotades en un processador de matèria situat en el planeta ZYQ4, és a dir, la destinació en qüestió. Allà, la informació és processada de manera que es crea un individu exactament igual en tots els sentits que l'individu que se situava en la nau de l'Enterprise. I voilà, ja s'ha produït la joiosa teletransportació.

Tornant al principi d'Incertesa

El motiu pel qual el principi d'Incertesa no permet que la teletransportació esmentada es dugui a terme ja s'intueix en el moment en què es relacionen dos conceptes oposats esmentats en aquesta entrada: "prohibeix conèixer les dues variables d'una partícula" i "s'analitzen i s'obtenen les dues variables d'una partícula", de manera que seria tan sols fer l'escrit més pesat si comencéssim a analitzar les pegues que hi posa la mecànica quàntica, però per si de cas, ho podem tornar a veurem sintetitzant-ho:

El motiu pel qual el Principi d'Incertesa de Heisenberg prohibeix la teletransportació basada en la captació d'informació d'una partícula és que no podem conèixer ni simultàniament ni amb precisió les dades que requereixen ser analitzades.

Tot i això, resulta graciós pensar què succeiria si realment es pogués dur a terme aquest fenomen. Aquesta mateixa suposició desperta molts debats filosòfics que se centren en l'existència de l'esperit. Tots aquells que creuen que l'esperit (o un quelcom extracte habita en nosaltres i ens dóna la vida) existeix opinen que el segon individu o bé no seria factible o bé no seria el mateix que el primer.

Acabem amb aquesta primera entrega sobre la teletransportació avançant la temàtica de la segona, en la qual introduirem el concepte d’”entrellaçament quàntic”, tema de la tercera entrega.

Continua llegint »

Radiació de fons de microones

Ja s’ha comentat varis cops en aquesta pàgina que l’univers es troba impregnat per una petita quantitat de calor, producte del Big Bang, i causant, entre d’altres, de què l’univers, a escala general, tingui una petita quantitat de calor que faci que la seva temperatura es trobi alguns graus centígrads per sobre del zero absolut.

El descobriment de la radiació de fons fou observada a mitjans de la dècada dels anys 60 pels astrònoms i premis Nobels Arno Penzias i Robert Wilson. La troballa fou totalment accidental, o si més no involuntària, ja que el motiu que conduí en el seu moment als dos astrònoms a apuntar cap a l’espai exterior amb una antena no fou pas per mesurar una prova experimental de la teoria del Big Bang, sinó que cercaven informació sobre la naturalesa de les ones de ràdio emeses per la nostra galàxia. No obstant, a una longitud d’ona molt curta (7,35 centímetres), els seus aparells de mesura van detectar un soroll que l’únic que el diferenciava de la resta de sons captats era la seva condició isotròpica. La característica isotròpica fa referència a tot allò que es troba en una quantitat determinada i invariable, independentment del punt en què es mesuri. Apuntessin on apuntessin Penzias i Wilson, es topaven amb el mateix so.

Un cop els dos astrònoms van percebre que probablement estaven davant d’un emocionant descobriment, van decidir mesurar la temperatura del so captat i van establir que aquest corresponia a una temperatura que se situava entre els 2,5 i 4,5 graus centígrads per sobre del zero absolut, o el que és el mateix, entre 2,5 i 4,5 graus Kelvin. Per a ells fou desconcertant trobar que aquesta petita quantitat de calor es distribuïa de manera homogènia. No obstant, no feia gaire temps enrere, un company físic seu anomenat J.E.Peebles havia donat una conferència en la qual afirmava que en els principis de l’univers hauria d’haver hagut una radiació de calor que hagué impedit la transformació del hidrogen en substàncies més pesades. Segons Peebles, aquesta radiació, de longitud d’ona molt corta, hauria destruït els nuclis de les substàncies pesades en qüestió, moments després de que aquests es formessin. De fet, Peebles va assegurar que sense l’existència d’aquesta radiació de fons l’univers actual a penes contindria hidrogen, el qual forma el 75% de l’univers.

L’expansió refreda

La radiació de fons amb la qual especulava llavors Peebles presentava una temperatura enorme respecte els 3,5ºk actuals. Donat per demostrada l’existència d’aquesta radiació, la disminució de la temperatura de la radiació de fons de microones es deu bàsicament a l’expansió de l’univers. En aquest aspecte, el comportament tèrmic de la radiació de fons és equiparable a la d’un líquid o un gas. Si nosaltres comprimim qualsevol d’aquest dos, el que fem és provocar un augment en la seva temperatura (ho establim a través de la teoria cinètica de la matèria, la que ens diu que les partícules xoquen més entre elles, s’exciten més i emeten més calor). Succeeix exactament el mateix si enlloc de comprimir el líquid o el gas l’expandim, simplement que la temperatura enlloc d’augmentar, disminueix. Doncs bé, en la radiació de fons ha succeït exactament el mateix. A causa de l’expansió de l’univers, la seva temperatura ha descendit des de quantitats enormes fins als pocs graus centígrads per sobre del zero absolut actuals.

La conferència de Peebles fou anterior als descobriments de Penzias i Wilson, així que les seves prediccions tenen molt mèrit. Peebles també fou conscient que la temperatura actual de la radiació de fons havia de ser molt inferior a la que presentava als orígens de l’univers. Peebles va deixar anar la xifra de 10ºK, sobreestimació que no es trobava gaire lluny de la xifra recollida per Penzias i Wilson.

Curiositats que ja hem comentat sobre la radiació de fons de microones és que aquesta fou la culminació de la teoria del Big Bang com a principal per a explicar el controvertit origen del nostre univers. A més, que la radiació de fons constitueix, aproximadament, un 1% de “les formiguetes” que apareixen en el nostre televisor en tots aquells canals en els quals no hi ha res sintonitzat. Res millor que contemplar el producte de la creació de l’univers.

Contempla un 1% del producte directe de la creació de l'Univers

Continua llegint »