Cementerio Nuclear No, ATC Si.

Nadie en su sano juicio desearía un cementerio nuclear en las puertas de su casa, está claro que nadie en su sano juicio construiría un cementerio nuclear en ninguna parte. Y es que los cementerios nucleares tal como suena no existen. Existe el Almacenamiento Temporal Centralizado (ATC), que tiene un comportamiento muy distinto al que podamos entender como cementerio. Referencia: Central Nuclear, Residuo Radiactivo, Uranio, Plutonio, ATC.

Hace unos 4600 millones de años explotó una supernova cerca de la nebulosa que formaba entre otros, nuestro Sistema Solar. La explosión de la supernova generó una gran cantidad de elementos radioactivos que introdujo en la nebulosa. Muchos de estos elementos radioactivos se han desintegrado hasta transformarse en elementos estables. Solo quedan los que se desintegran más lentamente, entre ellos el uranio 238 y el uranio 235, cuya vida media es de 4.470 millones de años. A lo largo de millones de años estos elementos fueron distribuyéndose de forma homogénea junto a la nebulosa que formaba nuestro Sistema. Así la relación entre el Uranio 238 y el Uranio 235 se ha mantenido constante en la Tierra, exceptuando en algunos lugares.

La radioactividad procedente de la desintegración de los núcleos atómicos conlleva la liberación de energía. Esta energía se disipa al medio ambiente en forma de calor y radiaciones. El calor generado por el Uranio y otros elementos radioactivos situados en el interior de la Tierra mantiene al planeta a una temperatura por encima del punto de congelación, al cual estaríamos si solo recibiese el calor del Sol. En el primer kilometro de la corteza terrestre la radiación procedente de los elementos radioactivos libera a la superficie terrestre 34.000 julios al año y por metro cuadrado.

Puesto que los materiales radioactivos son muy pesados, durante la formación de la Tierra la gravedad los situó en mayor concentración en el núcleo. El calor generado por estos materiales radioactivos en el núcleo contribuye a mantenerlo en forma de plasma. Permitiendo que la Tierra disponga de un intenso campo magnético que nos protege de las radiaciones procedentes de las erupciones solares y de los rayos cósmicos.

Parece ser que no solamente la radioactividad nos mantiene a una temperatura agradable y nos protege de las radiaciones extraterrestres, también ha tenido un papel fundamental en el origen de la vida y su posterior evolución. Las radiaciones procedentes de los materiales radioactivos cercanos a la superficie terrestre produjeron mutaciones en las especies vivas en desarrollo, condicionando su evolución posterior. Pero esto es tema de otro artículo, de momento solo quería que se dieran cuenta que el termino radiación nuclear no tiene que estar relacionado solamente con desgracias.

La aplicación pacifica de la energía nuclear surgió con el Proyecto Manhattan para construir la primera bomba atómica. El 2 de diciembre de 1942, Enrico Fermi, junto a otros físicos, ponía en marcha la primera reacción nuclear en cadena. El reactor nuclear se encontraba bajo la tribuna del estadio de futbol americano de la Universidad de Chicago. Actualmente se encuentran en funcionamiento unos 438 reactores nucleares en el mundo que generan el 17% de la energía eléctrica consumida. En la Unión Europea existen en funcionamiento 149 reactores nucleares que generan el 38% de la electricidad. En España hay 8 reactores nucleares que suministran el 18% de la energía eléctrica.

Una central nuclear “quema” anualmente unas 25 toneladas de Uranio. Una central térmica necesitaría quemar 2,5 millones de toneladas de carbón y una central de ciclo combinado 1700 millones de metros cúbicos de gas natural. Cuando el material nuclear ya no puede mantener la reacción en cadena se considera agotado, aun que solamente se ha aprovechado el 1% de la energía contenida en el Uranio. Se puede reciclar para recuperar el uranio y el plutonio generado durante la irradiación en los reactores. Se reprocesa para obtener nuevo combustible, mediante un proceso denominado PUREX (Plutonium – URanium EXtraction) ideado ya en el proyecto Manhattan. El reciclado minimiza la producción de residuos nucleares.

En todo caso, cuando el combustible agotado se retira del reactor nuclear, se traslada siempre bajo agua y se deposita en el fondo de una piscina donde un enrejado metálico asegura que no se mueva. Este combustible gastado produce:

Radiación tèrmica o Calor: generado por las desintegraciones radiactivas.

Radiaciones gamma: producidas por los elementos radioactivos de vida corta, de unos 30 años. Son radiaciones electromagnéticas de muy alta energía, como los rayos X, pero mucho más letales. Está claro que son muy peligrosas para la salud y se tienen que proteger con blindajes adecuados, como agua, plomo, acero o hormigón.

Radiaciones beta: son electrones que surgen de los núcleos radioactivos. Dentro del núcleo radioactivo un neutrón expulsa un electrón convirtiéndose en un protón. Pueden detenerse con un papel de aluminio.

Radiaciones alpha: producidas por los elementos radioactivos de vida larga, miles de años. No son radiaciones electromagnéticas sino núcleos de helio, dos protones y dos neutrones. Se detienen fácilmente con una hoja de papel, son peligrosas si los elementos radioactivos entran en el cuerpo humano mediante ingestión, inhalación o a través de heridas en la piel. Una vez dentro del cuerpo la radiación daña los tejidos vecinos pudiendo llegar a producir células cancerosas.

 

El almacenamiento de los materiales radioactivos tiene en cuenta cada uno de estas radiaciones.

Primera etapa: Se deja enfriar el residuo nuclear en el fondo de una piscina con agua durante al menos 5 años. El agua actúa como refrigerante y de blindaje contra las radiaciones gamma y alpha. Cuando el residuo se ha enfriado y perdido parte de su radioactividad se puede trasladar a un Almacen Temporal Centralizado (ATC)

 Segunda etapa: El residuo nuclear se deposita en un Almacén Temporal Centralizado. Es una instalación diseñada para guardar en un único lugar el combustible gastado de las centrales nucleares y los residuos de alta actividad durante 60 años. Su nombre proviene de Almacen, pues es una instalación pasiva donde se almacenan los residuis radioactivos. No se produce energía, ni reacciones en cadena. Temporal, pues solo se pueden almacenar durante unos 60 años y Centralizado ya que todo el combustible gastado y los residuos de alta actividad de las centrales nucleares españolas permanecerá en ese lugar.

 En la siguiente página de enresa encontraran un video interactivo: funcionamiento del ATC

Tercera etapa: Finalmente después que el residuo radiactivo ya no emite radiaciones gamma tiene que guardarse de las radiaciones alpha durante miles de años. Los lugares más seguros son dentro de formaciones geológicas a gran profundidad, es lo que se denomina Almacenamiento Geológico Profundo. De momento no existen instalaciones de este tipo, aunque en Estados Unidos se construye uno en el monte Yucca.

No me cabe duda que la energía del futuro es la nuclear, la fusión nuclear por supuesto, la única que viene de las fuerzas nucleares. Vean “Radioactividad” en este mismo blog.

Pecado Original y CO2

La especie humana ha avanzado largamente desde la aparición del homo sapiens hace unos 200.000 años, en pleno Paleolítico. Un avance importante fue la primera vez que invento como hacer fuego, la segunda como aprovechar la naturaleza a su favor con la invención de la agricultura. El Paleolítico dio paso al Neolítico hace unos 10.000 años y no fue por casualidad sino por un cambio climático.

 

 

Cambios climáticos desde la última edad de hielo. Science Vol 327 22 Enero 2010

La gráfica inicial corresponde a los registros de hielo en Groenlandia.

Hace unos 20.000 años el planeta Tierra se encontraba en la última era glacial (hasta el momento) y la escasa población humana de cazadores-recolectores se agrupaba en poblados nómadas de entre 15 y 50 personas. Su existencia era muy precaria y al borde de la extinción, buscaban el alimento allí donde se encontraba, cazando ciervos, gacelas, renos y recolectando tubérculos, nueces, etc.

El hombre de cromañón se abrigaba dentro de las cuevas durante los nueve meses de duro invierno. En la primavera aprovechaban las rutas migratorias de los rebaños para cazar y cosechar los pastos silvestres. Durante el corto y cálido verano los distintos grupos de humanos se reunían para comerciar, intercambiar opiniones, recitar leyendas y mitos.

Lo cuenta muy bien Brian  Fagan en su libro “El largo verano”

El hielo cubría toda Escandinavia y Escocia y se extendía sobre Inglaterra, los Países Bajos y el norte de Alemania. Este era el origen de los incesantes vientos que viajaban hacia el sur atravesando el gradiente de temperatura de los mantos de hielo. Los gigantescos glaciares absorbían tanta agua y ejercían tanta presión sobre la corteza terrestre, que el mar estaba más de 90 m por debajo de su nivel actual. La estepa-tundra se extendía a través del emergido sur del Mar del Norte. El Mar Báltico no existía. Se podía caminar desde Inglaterra hasta Francia y, desde allí, si se era lo bastante resistente y se estaba bien pertrechado, adentrarse en las profundidades de Eurasia, hacia el extremo nororiental de Siberia y, luego, hacia América; o hacia el sudeste, hacia la plataforma continental del sudeste de Asia.

La Europa de la Última Glaciación era un lugar salvaje e inmisericorde. Alrededor de  40.000 cazadores de la Edad de Piedra vivían aquí gracias a su brillante oportunismo, sus habilidades sociales y su constante flexibilidad; en un mundo que estaba a punto de sufrir una impresionante transformación.

Aunque al igual que ahora, el clima variaba de un año a otro y de un siglo a otro. Había épocas más frías y otras más calientes y estas fluctuaciones climáticas afectaban a las poblaciones de animales. En los tiempos cálidos aumentaban y en los fríos disminuían, con la consiguiente influencia en las poblaciones humanas. No hay duda que estos cambios afectaron a la memoria generacional, se recordaba los años buenos de grandes rebaños y los años malos en que los animales incluso habían modificado sus rutas migratorias.

Entonces el clima cambió, hace unos 14.500 años la temperatura aumentó bruscamente (geológicamente hablando claro). Los valles se fueron poblando de robles, abedules, olmos, pinos, avellanos, etc. El mamut, el rinoceronte lanudo, el alce irlandés y numerosos animales de pequeño tamaño fueron extinguiéndose. Los humanos tenían dos opciones para sobrevivir: desplazarse tras sus antiguas presas en sus emigraciones al norte, siguiendo el retroceso de la tundra, o permanecer donde estaban y adaptarse al nuevo ambiente. Seguramente hicieron ambas cosas, según los grupos de seres humanos. Quizá aquellos más fuertes siguieron con su vida nómada y los más débiles se adaptaron al medio ambiente más cálido y descubrieron la vida sedentaria gracias al invento de la agricultura.

Pero el cambio climático del período cálido Bolling-Allerod duro poco tiempo y volvió a una era postglacial, denominada Younger Dryas, que terminó bruscamente al cabo de 1.500 años. Dejando paso al Holoceno, el período cálido estable más largo de los últimos 15.000 años que empezó hace unos 11.500 años y donde nos encontramos ahora. Observen la gráfica del principio.

Es curioso que pueblos incomunicados de distintas partes del mundo empezaron a cultivar y a domesticar las plantas casi al mismo tiempo hace unos 10.500 años.

Cultivos primordiales, Science Vol 316, 29 Junio 2007

Podríamos discutir si el descubrimiento de la agricultura fue una revolución científica, que dio origen a un nuevo paradigma, a una nueva visión de la acción del ser humano con la naturaleza. Me explico, antes el ser humano era pasivo, no alteraba el flujo natural, se aprovechaba de él. Con la agricultura, el ser humano altera la naturaleza, es como desafiar a los dioses. ¿Se acuerdan del paraíso descrito en la biblia y como se pierde? ¿Se acuerdan del pecado original? ¿Se acuerdan de la manzana de Eva?¿Se acuerdan de nuestro pecado actual contra la Tierra provocando un cambio climático? ¿Se acuerdan del CO₂?

Pues es ahí donde está la clave para entender porque la agricultura apareció casi al mismo tiempo en todo el planeta y relacionado con los cambios climáticos que desembocaron en el Holoceno. La clave es el dióxido de carbono, el CO₂. Al igual que ahora las plantas necesitaban una concentración de CO₂ elevada para crecer, entre unos 500 i 1000 ppm. Vean “tomate al CO₂”.

La concentración antes del Holoceno era de 180 ppm, empezó a elevarse y en unos pocos miles de años llegó a 280 ppm. Esto tuvo un gran efecto sobre la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas, entonces cultivarlas fue más fácil. ¿Pero cuando se les ocurrió la idea? Posiblemente surgió durante el Younger Drias, el período postglacial creó una crisis en las sociedades humanas. ¿Cómo se resuelven las crisis? Thomas S. Kuhn nos diría que mediante revoluciones, una revolución agrícola, el invento de la agricultura, simplemente para poder sobrevivir. Por suerte llegó el Holoceno y con él nuestra salvación, el planeta volvía a calentarse. ¿Cuánto durara?

 

Partículas Virtuales II

Este post es la continuación de “Partículas Virtuales I”

En el marco de la teoría cuántica el vacio no existe, es más bien algo complicado. Según el principio de indeterminación de Werner Heisenberg, la energía de una partícula sólo puede medirse con gran precisión si se dispone de mucho tiempo o si queremos medir la cantidad de movimiento de una partícula con gran precisión necesitamos disponer de una gran cantidad de espacio.

Estas ecuaciones significan que si queremos observar la estructura de una partícula a distancias atómicas no nos es posible determinar con gran precisión su cantidad de movimiento o su energía. El principio de indeterminación nos dice que el mundo submicroscópico de la mecánica cuántica es significativamente diferente del mundo ordinario que conocemos. El sentido común o mejor dicho, nuestro sentido común adquirido en nuestro mundo macroscópico no es aplicable al mundo submicroscópico. El conocimiento de la realidad de nuestro mundo clásico se basa en conocer las cosas como coches, pelotas, pantallas de ordenador, casas, etc. En el mundo cuántico de los electrones y los núcleos atómicos los objetos no son siempre lo que parecen. Existe cierta cantidad de imprecisión o incerteza, la realidad cuántica es confusa.

En otro post ya ampliare los detalles de este principio de indeterminación formulado en 1927 por Werner Heisenber, ahora solo nos interesa su aplicacion para entender el vacio cuántico.

Aplicamos la relación de Einstein entre masa y energia

al principio de indeterminación, puesto que no hay incertidumbre en la medición de la velocidad de la luz en el vacío, en el fondo la velocidad de la luz es una constante absoluta. Cualquier indeterminación en la medida de la velocidad tiene que ser consecuencia de la indeterminación en la medida de la masa, entonces

combinando esta expresión con el principio de Heisenber obtenemos una nueva indeterminación entre la masa y el tiempo.

Este resultado es asombroso, nos dice que durante un pequeño intervalo Dt de tiempo, no podemos estar seguros de cuanta cantidad de materia existe dentro de un espacio subatómico, aunque sea el espacio vacío. Durante este breve instante de tiempo la materia puede aparecer espontáneamente y luego desaparecer, siempre que la relación entre la masa y el tiempo cumplan la condición anterior. Así es la realidad cuántica, nada que ver con nuestro sentido común.

Por supuesto se tienen que cumplir algunas condiciones extras, como la conservación de la carga eléctrica. Según esto, un partícula por si sola no puede aparecer de la nada, tiene que hacerlo acompañada de una partícula idéntica pero con carga opuesta, esto es la antipartícula. Así pues, definitivamente podemos decir que en el mundo cuántico una cantidad igual de materia y antimateria pueden aparecer de la nada para desaparecer instantáneamente.

parejas virtuales electrón-positrón

Por ejemplo, un electrón (e^-) tiene carga negativa y su antipartícula, el positrón (e⁺) lleva carga positiva y la misma masa. Puesto que las partículas y las antipartículas aparecen en conjunto, a pares, la cantidad total de carga eléctrica del universo permanece constante. El proceso espontaneo de creación de una pareja electrón-positrón dura un tiempo increíblemente corto. Calculémoslo, la masa del electrón es de 9.11·10^-31 kg

Así pues, una pareja electrón-positrón puede aparecer y desaparecer espontáneamente sin violar ninguna ley física, siempre que su existencia dure menos de 3,22·10^-22 s. Para partículas con mayor masa el tiempo será menor. Por ejemplo, el protón tiene aproximadamente 2000 veces más masa que el electrón, las parejas protón-antiprotón pueden aparecer de la nada siempre que desaparezcan en un tiempo 2000 veces menor que el anterior calculado para la pareja electrón-positrón.

Aunque le parezca increíble, esto está sucediendo ahora mismo en el espacio situado entre sus ojos y la pantalla del ordenador, en definitiva en cualquier lugar del universo. Parejas de partículas y antipartículas están siendo constantemente creándose y destruyéndose en cualquier parte de nuestro universo. Pero no podemos observarlas directamente sin alterar el principio de indeterminación de Heisenberg, por este motivo se las denomina partículas virtuales.

Las partículas virtuales no pueden observarse directamente, pero podemos observar sus efectos. Imagine un electrón orbitando (por decirlo de alguna manera) un núcleo atómico, como el átomo de hidrógeno. La aparición y desaparición constante de las parejas partícula-antipartícula crean minúsculos campos electromagnéticos que sacuden ligeramente al electrón en su órbita. Estas pequeñas sacudidas producen ligeros cambios en las energías de las órbitas electrónicas y aparecerán pequeños desplazamientos en las líneas espectrales del átomo de hidrogeno.

Este desplazamiento fue detectado en 1947 por Willis Lamb y R.C. Retherford y se conoce como el desplazamiento Lamb, que viene a corroborar que el espacio vacío no está vacío, está lleno de partículas virtuales. A esto se le denomina el vacio cuántico y sus consecuencias pueden llegar a ser asombrosas. Lo cuento en un próximo post.

 

Houston, El Aguila ha alunizado.

En un anterior post  titulado “Fotografia del Apollo 11 sobre la Luna” les comentaba que el orbitador sobre la luna LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) obtendría mejores imágenes de las naves tripuladas que alunizaron sobre la Luna en el siglo pasado. Pues bien, ahora la NASA muestra estas nuevas imágenes.

El LRO ha tomado imágenes de los módulos de descenso lunar enviados durante el proyecto Apolo. Les comento las imágenes del módulo de descenso lugar Eagle del Apollo 11. Las imágenes han sido tomadas desde una altura de 50 km y se pueden observar incluso los senderos dejados por los astronautas en sus paseos lunares.  Los instrumentos dejados sobre la superficie lunar reflejan cinco veces más luz que la superficie de polvo lunar y por tanto son claramente visibles. Se observan el reflector laser LRRR(Lunar Ranging Retro Reflector) y el sismógrafo PSE (Passive Seismic Experiment). Se observa el paseo lunar efectuado por Neil Amstrong hacia el cráter Little West de 33 metros de diámetro.

Módulo Lunar Eagle

Vistas del paseo lunar de Neil Amstrong

 

Edwin Aldrin junto al sismografo y reflector laser.

 

Encontraran toda la informacion en la web de la Nasa sobre LCR

Vaya palo con el palo de hockey

Últimamente el ambiente está muy caldeado con la climatología y los climatólogos. Y es que algunas prácticas científicas que se han ido empleando no son muy científicas.  Algunas mas bien son para darnos miedo. Y es que el cambio climático da miedo, pero más bien por otra historia.  Referencias: Cambio climático, Pequeña Edad de Hielo, Frankenstein.

En la edición del mes de noviembre 2009 de Scientific American, David Appell escribe un artículo sobre el nuevo análisis empleado por Martin Tingley y Peter Huybers para determinar la temperatura superficial durante los últimos 1200 años. Lo curioso es que acompaña el artículo no con la gráfica de temperaturas obtenida por Tingley y Huybers sino con la gráfica de Michael Mann ya abandonada y dada por falsa en el año 2007.

Gràfica de Michael Mann

 David Apell  titula su artículo “Still hotter than ever”, es decir, “Todavía más caliente que nunca”. El título acompañado de la gráfica de Mann induce al error. Supongo que por eso en su versión online ha quitado la gráfica pero no la referencia de la imagen.

No quiero entrar en debates climatológicos, parece que últimamente están saliendo a flote algunos detalles sobre la poca profesionalidad científica de unos pocos. Y precisamente estos pequeños detalles son muy importantes para la opinión pública. La sociedad espera de los científicos precisamente lo que se viene a denominar “rigor científico”, y también tendría que aplicarse a los periodistas de información científica.

Observemos la autentica gráfica a la que se refiere el artículo de David Apell, la encontraran al final del articulo original de Tingley y Huybers que les pongo a continuación, Tingley i Huybers .

Es la siguiente gráfica donde he añadido mi comentario. Observaran que aparece claramente el Periodo Cálido Medieval entre los años 900-1200 y la Pequeña Edad de Hielo entres los años 1600-1800, con variaciones típicas del periodo interglacial en que vivimos desde el Holoceno, hace 10000 años.

Gràfica de Tingley y Huybers

Fijense que las temperaturas aproximadamente en el año 1000 estaban casi tán calientes como ahora e incluso un poco más si tenemos en cuenta el valor máximo de la desviación en el error de la medida. Cuidado, no pretendo engañarles, no sea que yo mismo cometa los errores que critico en los demás. Fijarse en los valores máximos del error cometido en la medida es tan erroneo como no tenerlos en cuenta. Los valores absolutos no indican nada, o mejor dicho, no tendrian que indicarnos nada. Es la relación entre los valores medios los que aportan datos de valor científico. Y según estas últimas medidas de Tingley y Huybers yo no encuentro explicación para un título como “Todavía más caliente que nunca”, aunque asi sea observando directamente la gráfica sin tener en cuenta el error cometido en la medida. Si analizamos los datos juntamente con el error, lo que nos dicen los datos es prudencia en las decisiones a tomar, no sea que las temperaturas empiezen a bajar de golpe en los próximos años.

En 1642, los habitantes de Chamonix vivian con la permanente amenaza de los glaciares. Estos avanzaban y producían avalanchas e inundaciones. Se habían perdido un tercio de las tierras de cultivo de la localidad en menos de un lustro. El glaciar Des Bois según las referencias “avanzó una medida diaria equivalente al alcance de un disparo de mosquete, incluso en agosto”. En 1644 se organizó una procesión dirigida por el obispo de Ginebra para implorar la intervención divina y se detuviera el avance del glaciar. Fue precisamente durante los años 1550-1800 que los glaciares de todo el planeta avanzaron.

Las condiciones ambientales nefastas para la agricultura condujeron a innovaciones agrícolas que se extendieron rápidamente, propiciando la revolución agrícola del XVII-XVIII que condujo al desarrollo de una economía agraria moderna. Y es que nuestra sociedad está sometida a estos cambios desde siempre, las causas continúan estando a debate. Variaciones en la radiación solar, en la órbita de la Tierra, en la precesión terrestre, etc. Hay eso si, efectos conocidos, como la actividad volcánica. En abril de 1815 el monte Tambora, situado al este de Java entro en erupción durante tres meses, voló los 1300 m de la cima del volcán. 12000 personas murieron durante la erupción y otras 44000 perecieron a consecuencia de la hambruna desencadenada por las cenizas volcánicas. La radiación solar se redujo en más de u 20%. El año 1816 fue un año sin verano. Las temperaturas mensuales de ese verano estuvieron entre 2,3 y 4,6 ºC por debajo de la media.

El tiempo frio mantuvo encerrados al poeta Percy Bysshe Sheley, a su esposa Mary y a su amigo Lord Byron, durante sus vacaciones en Ginebra. Puesto que no podían salir a la calle se entretuvieron inventando historias. La inventada por Mary Sheley se transformo en Frankenstein.

Partículas virtuales I

Es difícil en poco tiempo y con pocas ecuaciones explicar que es una partícula real y virtual. Mi atrevimiento es más grande que mi conocimiento y esto me lleva a…

Para empezar tenemos que encontrar una unidad de energía apropiada para la escala atómica. La unidad adecuada es el electrón voltio (eV), donde 1eV =1,6·10^-19 J. Según la unidad de eV, la escala energética nuclear usualmente esta en millones de eV, que se denomina Mega eV (MeV) y a la escala de partículas fundamentales esta en miles de millones de eV, que se denomina GigaeV (GeV)

Cuando chocan dos camiones, la energía de la colisión es de alrededor de 30 mil billones de GeV (giga electronvoltios o mil millones de electronvoltios), actualmente el LHC (Large Hadron Collider) en el CERN pretende llegar a 14 TeV (Tera electronvoltios) que son 14 billones de electrón-voltios, que son 14000 GeV, provocando la colisión entre dos partículas fundamentales. Es decir una colisión entre dos camiones genera unos 2 billones más de energía que la que generara el LHC en pleno funcionamiento.

Hay una diferencia fundamental entre la colisión entre dos camiones y dos partículas fundamentales. En el choque de camiones no se crea ninguna partícula, existen las mismas antes y después de la colisión. No se ha creado ninguna partícula nueva. En cambio en la colisión entre partículas fundamentales se crean partículas nuevas. Por ejemplo, en la colisión entre un protón y otro protón se crean cerca de un centenar de partículas con una energía de 600 GeV. ¿Cómo es posible esto?, la respuesta esta en que la colisión entre camiones es consecuencia de la dinámica clásica (macroscópica) y la colisión entre partículas de la dinámica cuántica (microscópica). Las dos dinámicas cumplen las leyes de la conservación de la energía y la cantidad de movimiento, pero con una diferencia, se atreven a imaginar cual es…

El tiempo de colisión. La duración del choque entre camiones es enorme comparado con el tiempo que dura la colisión entre partículas. También podemos verlo a partir de la velocidad, las colisiones entre las partículas individuales entre un camión y el otro es muy pequeña, extremadamente pequeña puesto que la velocidad es muy lenta, 1/10.000.000 la de la luz. La clave para entender cómo se crean las partículas está en la energía y el tiempo. La relación entre la energía y el tiempo en el mundo cuántico lo decide la desigualdad o principio de indeterminación de Heisenberg. El cual nos permite entender la naturaleza dual onda-partícula de la radiación y la materia, pero esta es otra historia.

El principio de indeterminación de Heisenberg entre la energía y el tiempo es

Donde ΔE es la indeterminación en la energía y Δt es la indeterminación en el tiempo. Un sistema que permanece en un estado estable durante un largo tiempo Δt su dispersión en la energía ΔE es pequeña. Per ejemplo, si la vida media de una partícula es de 10^-22 s, la indeterminación en su energía es de unos 3,3 MeV. Generalmente se explica de la siguiente manera. Supongamos que existe un banco cuántico de energía que funciona de manera muy distinta a un banco clásico. El banco cuántico puede prestarte la cantidad de energía que quieras, solo impone una condición, si la energía es muy grande tienes que devolverla en muy poco tiempo, en cambio si la energía que pides es pequeña dispones de más tiempo para devolverla. Es decir, siempre tienes que devolver al banco cuántico la misma cantidad de energía que te presta, el precio a pagar es el tiempo.  Es como el cuento de la Cenicienta, se puede ser princesa e ir al baile en una carroza solamente durante un tiempo, hasta las 12 de la noche, entonces la carroza vuelve a ser una calabaza.

Esto es importante para entender cómo se producen las fuerzas, en particular la fuera electromagnética. Según la física clásica la fuerza entre partículas cargadas viene descrita por la ley de Coulomb. En la física cuántica la interacción entre partículas cargadas se describe mediante la emisión y absorción de fotones. Dos electrones se repelen entre sí cuando uno emite un fotón y el otro lo absorbe. Es como si un patinador sobre hielo lanzara una pelota a otro patinador, los dos se separarían debido al impulso generado por la pelota.

Si la fuerza electromagnética entre partículas viene determinada por los fotones, ¿de dónde salen? ¿De dónde proviene la energía para crearlos?. Justamente la indeterminación Energía-Tiempo de Heisenberg permite la creación de un fotón con una determinada energía ΔE siempre que viva solamente durante un tiempo Δt. Como en el ejemplo anterior, si la interacción entre partículas dura solamente un tiempo de 10^-22 s, la energía del fotón puede ser de hasta 3,3 MeV. Un fotón que existe durante un corto tiempo debido a la indeterminación de Heisenberg se le denomina fotón virtual.

Una partícula libre y estable, es decir, que no interacciona con ningún campo externo o con otras partículas, se puede considerar que tiene un tiempo de vida infinito Δt = ∞ y en consecuencia su indeterminación en la energía es cero ΔE = 0. En el sistema de referencia de la partícula significa que su energía es Mc². En otro sistema de referencia en donde la partícula no está en reposo su energía total E y la cantidad de movimiento P cumplen la condición

a esta partícula se la denomina real. En contraposición una partícula que tiene solamente una breve existencia y no se encuentra libre de campos externos, como electromagnéticos o gravitatorios, entonces el principio de indeterminación de Heisenberg indica el valor de su energía y no cumple la ecuación anterior de la energía. A esta partícula se la denomina virtual.

Las partículas virtuales tienen efectos impresionantes en la construcción del vacío cuántico. Se lo cuento en otro post, este ya viene muy cargado.

Encontraran la continuación en “Partículas Virtuales II“