Hola a todos, hoy hemos entregado un libro de
Frank Wilcek a la imprenta, que estudia los antecedentes de las últimas ideas físicas sobre la masa, la energía y la naturaleza del vacío. El autor, galardonado con el Premio Nobel de física, expone puntos de vista modernos sobre nuestro increíble Universo y predice una nueva era dorada de la ciencia física fundamental. Una magnífica historia sobre la unidad de la materia y la energía, sobre las partículas elementales y sus interacciones: esta es una obra maestra de la literatura científica popular seria.
Aquí publicamos un extracto del libro "Fermi Dragons"
Desde el principio, estaba claro que otras fuerzas nuevas gobernaban el mundo nuclear. Las fuerzas clásicas de la física nuclear son la gravedad y el electromagnetismo. Sin embargo, las fuerzas repulsivas actúan en los núcleos: el núcleo tiene una carga positiva común, y las mismas cargas se repelen. Las fuerzas gravitacionales que actúan sobre una pequeña cantidad de masa en un solo núcleo son demasiado débiles para superar la repulsión eléctrica. (Hablaremos mucho más sobre la debilidad de la gravedad en la segunda parte de este libro). Se necesitaba una nueva fuerza. Ella recibió el nombre de interacción fuerte. Para que los núcleos permanezcan estrechamente conectados entre sí, la interacción fuerte debería ser más poderosa que cualquiera de las previamente conocidas.
Los experimentadores necesitaron decenas de años de esfuerzo y la sofisticación de los teóricos para descubrir las ecuaciones fundamentales que describen lo que sucede en los núcleos atómicos. Sorprendentemente, las personas generalmente lograron encontrarlos.
La dificultad obvia es que el pequeño tamaño del núcleo atómico interfiere con la observación de estas ecuaciones en acción. Es aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el átomo mismo. Esto nos lleva un millón de veces más allá de la nanotecnología. Los núcleos pertenecen al campo de la micronanotecnología. Al tratar de manipular los núcleos con instrumentos macroscópicos, como escalas o pinzas comunes, obtenemos un resultado peor que un gigante que intenta levantar un grano de arena con un par de torres Eiffel. Esta es una tarea difícil. Para estudiar el mundo nuclear, era necesario desarrollar métodos experimentales completamente nuevos y crear tipos inusuales de herramientas. En el próximo capítulo, visitaremos un nanomicroscopio ultraestroboscópico (conocido como Stanford Two Mile Linear Accelerator (SLAC)) y una estación de destrucción creativa (conocida como el gran colisionador de electrones-positrones (LEP; en BEPK), donde se hicieron los descubrimientos
Otra dificultad fue que el micronanoscosmos, como resultó, sigue leyes que son completamente diferentes de todo lo estudiado anteriormente. Antes de rendir homenaje a la fuerte interacción, los físicos tuvieron que abandonar la forma natural de pensar de una persona y reemplazarla con ideas nuevas y extrañas. Examinaremos estas ideas con más detalle en los próximos capítulos. Son tan extraños que si solo los doy como hechos, no te parecerán plausibles *, sin embargo, no deberían parecerlo. Algunas de las nuevas ideas son completamente diferentes de todo lo conocido antes. Pueden contradecirse, ¡y probablemente contradecirse! - Lo que estudiaste en la escuela. (Depende de a qué escuela asististe y cuándo.) En este breve capítulo, explicaré qué nos llevó a la revolución. Este capítulo sirve para combinar el concepto tradicional de física nuclear, que todavía se presenta en la mayoría de los libros de texto de física que encontré para estudiantes de secundaria y estudiantes de primer año, con nuestra nueva comprensión.
Lucha del dragón
El descubrimiento de James Chadwick del neutrón en 1932 fue un evento histórico. Después del descubrimiento de Chadwick, el camino hacia la comprensión parecía simple. Parecía que se encontraron bloques de construcción de núcleos. Son protones y neutrones, dos tipos de partículas que pesan aproximadamente lo mismo (un neutrón es 0.2% más pesado) y tienen interacciones fuertes similares. Las diferencias más obvias entre protones y neutrones son que el protón tiene una carga eléctrica positiva y el neutrón es eléctricamente neutro. Además, un neutrón aislado es inestable. El período de su existencia es de aproximadamente 15 minutos, después de lo cual el neutrón se convierte en un protón (y al mismo tiempo también surgen un electrón y un antineutrino). Simplemente agregando protones y neutrones juntos, podría crear modelos del núcleo con diferentes cargas y masas que corresponden aproximadamente a los parámetros similares de los núcleos conocidos.
Parecía que comprender y refinar estos modelos era solo una cuestión de medir las fuerzas que actúan sobre los protones y los neutrones. Estas fuerzas disuadirían a los núcleos de la descomposición. Las ecuaciones que describen estas fuerzas se convertirían en una teoría de interacción fuerte. Resolviendo las ecuaciones de esta teoría, podríamos probarla y hacer predicciones. Por lo tanto, escribiríamos un nuevo capítulo lacónico llamado "física nuclear", cuya idea central sería "fuerza nuclear", descrita por una ecuación simple y elegante.
Tal programa de acción inspiró a los experimentadores a estudiar las colisiones de protones con otros protones (neutrones u otros núcleos). Llamamos a tales experimentos, en los cuales las partículas colisionan con otros y estudian lo que sucedió, un experimento de dispersión. La idea es que al estudiar la desviación de protones y neutrones, o, como decimos, la dispersión, puede determinar qué fuerzas actúan sobre ellos.
Esta estrategia simple falló miserablemente. Primero, el poder era muy complejo. Se descubrió que tiene una dependencia compleja no solo de la distancia entre las partículas, sino también de sus velocidades y las direcciones de sus giros. Pronto quedó claro que no podríamos encontrar una ley simple y hermosa para esta fuerza, digna de un lugar junto con la ley de gravedad de Newton o la ley de Coulomb para la electricidad.
En segundo lugar, lo que era aún peor, "poder" no era poder. Cuando dos protones energéticos chocan, no solo se produce su desviación. A menudo se forman más de dos partículas como resultado, que no son necesariamente protones. De hecho, en el curso de los experimentos de dispersión de alta energía realizados por físicos, se descubrieron muchas especies nuevas de partículas. Las nuevas partículas, de las cuales se han encontrado docenas, son inestables, por lo que generalmente no las observamos en la naturaleza. Sin embargo, cuando se estudiaron en detalle, resultó que sus otras propiedades, especialmente las interacciones fuertes y el tamaño, son similares a los parámetros similares de protones y neutrones.
Después de estos descubrimientos, se volvió antinatural considerar los protones y los neutrones por sí mismos o pensar que el problema principal es determinar las fuerzas que determinan su interacción. En cambio, la "física nuclear" en el sentido tradicional se ha convertido en parte de un tema más amplio, que incluye partículas cada vez más nuevas y procesos obviamente complejos de su creación y descomposición. Para describir el nuevo "zoológico" de partículas elementales, este nuevo tipo de dragones, se inventó el nombre de "hadron".
Hidra
La experiencia en química sugiere la posibilidad de explicar todas estas dificultades. Quizás los protones, los neutrones y otros hadrones no son partículas elementales. Tal vez consisten en objetos más simples con propiedades más simples.
De hecho, si realiza los mismos experimentos con átomos y moléculas que con protones y neutrones, al estudiar lo que queda después de sus colisiones, también obtendrá resultados complejos. Podría reorganizar y descomponer moléculas para obtener sus nuevas especies (o átomos excitados, iones y radicales), en otras palabras, llevar a cabo reacciones químicas. La simple ley de interacción obedece solo a electrones y núcleos. Los átomos y las moléculas, que consisten en muchos electrones y núcleos, no están sujetos a él. ¿Podría haber un patrón similar para protones, neutrones y sus parientes recientemente descubiertos? ¿Podría explicarse su aparente complejidad por el hecho de que consisten en bloques de construcción más pequeños que obedecen a leyes mucho más simples?
Romper algo en pedazos puede ser una forma aproximada, pero este método también puede ser el más confiable para descubrir en qué consiste. Si dos átomos chocan lo suficientemente fuerte, se desintegrarán en sus electrones y núcleos constituyentes. Así, se descubren los bloques de construcción de los que están compuestos.
Sin embargo, la búsqueda de bloques de construcción más simples dentro de protones y neutrones ha dado lugar a dificultades inusuales. Si realmente chocas fuertemente con los protones, obtendrás aún más protones, a veces acompañados por sus parientes de hadrones. Un resultado típico de la colisión de dos protones a alta energía es la aparición de tres protones, un antineutrón y varios mesones pi. La masa total de las partículas resultantes excede la masa del original. Discutimos esta oportunidad antes, y ahora nos ha vuelto a superar. En lugar de abrir bloques de construcción más pequeños y livianos, pasar a energías cada vez más altas y producir colisiones cada vez más fuertes, simplemente encuentra más de lo mismo. No se observan tendencias de simplificación. Es lo mismo que si juntara dos manzanas de la misma variedad y obtuviera tres manzanas de la misma variedad, una manzana de otra variedad, melón, una docena de cerezas y un par de calabacines.
El dragón Fermi se ha convertido en una hidra de pesadilla de un mito. Corta la cabeza de la hidra y aparecerán algunas nuevas en su lugar.
Existen bloques de construcción más simples. Sin embargo, su "simplicidad" fundamental implica un comportamiento extraño y paradójico que los hace revolucionarios para la teoría y esquivos durante los experimentos. Para entenderlos o incluso percibirlos, tendremos que comenzar de nuevo.
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Vilcek