ESPACIO Y TIEMPO: VACIO FISICO Y NADA ABSOLUTO

    

El mundo natural en que vivimos se nos presenta como una vasta colección de objetos y eventos, todos los cuales están contenidos en un espacio tridimensional. Percibimos estos eventos como si se encadenaran en un secuencia continua en el tiempo: cada evento se ve como el causante de otro, y éste se vuelve a su vez, la causa del siguiente. Algunas veces, en el lenguaje de la física, estas observaciones que hemos hecho se plantean diciendo que el mundo natural está contenido dentro de un continuo tetra-dimensional llamado espacio-tiempo. El propósito de este texto consiste en examinar el mundo natural con cierto detalle y descubrir algunas leyes de la naturaleza que nos ayuden a organizar y describir el espacio-tiempo. Al organizar y definir así el espacio-tiempo, entenderemos mejor el mundo natural.

Sin embargo, antes de estudiar directamente los objetos y eventos de la naturaleza, conviene contemplar el espacio-tiempo en sí mismo. El concepto de espacio-tiempo contiene la esencia de las más profundas cuestiones que como físicos intentemos responder. Para la persona común, un vacío es un volumen de espacio que no contiene absolutamente nada, ni partículas ni moléculas. Pero ésta no es la forma como los físicos piensan sobre el vacío. Para ilustrar un aspecto de nuestra comprensión del vacío como físicos, efectuaremos un experimento imaginario. Las distintas partes de este experimento se han obserdo en el laboratorio; de manera que aunque esta secuencia particular de eventos no se haya producido como un solo experimento, en principio así podría hacerse. Empecemos con un vacío absoluto en un recipiente ideal, con paredes perfectamente reflectoras, que son aislantes de la mejor clase imaginable. No habrá radiación ni partículas detectables, ya que a primera vista parece ser la clase de vacío compuesto de absolutamente nada.

El experimento empieza enfocando alguna luz (radiación eletromagnética) dentro del vacío, a través de una ventana muy pequeña en una pared del recipiente. Ya que una pequeña cantidad será reflejada de regreso por la ventana, más luz se enfocará continuamente hacia dentro del recipiente. Ahora debemos empezar a iluminar con luz cada vez más azul dentro de la ventana. Pronto observaremos cómo el color de la luz que escapa indica que la temperatura del vacío interior se está elevando. A medida que la temperatura se eleva, la luz que escapa se vuelve más azul. Ya desde ahora, hemos descubierto que un vacío puede tener una températura.

Para ver qué tan “caliente” se puede volver este vacío, continuemos enviando más y más radiación dentro del recipiente con mayor rapidez de la que escapa fuera del agujero. En algún instante de este experimento, un fotón de luz chocará con otro fotón, y aparecerán dos electros (figura abajo). Uno de este par de elctrones estará cargado negativamente, y el otro positivamente. El vacío ya no está vacío. El vacio contiene dos partículas de materia – los dos electrones.

Después de un flujo continuo de radiación eletroctromagnética dentro de un recipiente vacío aislado, se forman pares de electrones eventualmente.

¿De dónde salieron estos dos electrones? No se encontraban en el haz de luz, aunque la energía total que poseen sí entró con la luz. Los electrones son partículas muy diferentes de los fotones de luz. Los electrones son parte de esa familia de partículas conocida como fermiones. Portan carga eléctrica así como otra carga llamada número leptônico, y tienen una masa que continúa existiendo aun si los electrones son llevados al reposo. Un fotón de luz es muy diferente. Es un bosón y no lleva carga de ninguna especie; y un fotón traído al reposo cesa de existir.

Como físicos no proclamamos conocer la respuesta completa al origen de estos electrones. Tendemos a pensar que los electrones están siempre allí, en una especie de estado virtual, y que son traídos a una existencia detectable por la colisión de los fotones de luz. Se piensa en el vacío como en un “estado” del espacio-tiempo que no contiene partículas detectables, y de la condición siguiente (o resultante) como en un estado que contiene dos electrones. En otras palabras, decimos que alguna especie de acción aplicada al estado de vacío creó del vacío dos electrones en un estado corpuscular. 

Aunque la probabilidad de que estos electrones lleguen a chocar uno con otro sea pequeña, es posible que lo hagan. Uno es positivo y el otro negativo; son, de alguna profunda manera, totalmente diferentes uno del otro y sin embargo al mismo tiempo muy parecidos. Si llegaran a chocar habría una trasición de regreso al estado de vacío. Esto es, los dos electrones desaparecerían y los dos fotones aparecerían en su lugar. Nos referimos comúnmente a esto como a la aniquilación de materia-antimateria. Podemos preguntar: ¿A dónde fueron?  ¿Están presentes aún en una forma no detectable?          

Mantegamos dos electrones detectables en el recipiente junto con la radiación que enviamos. Supongamos que no chocan por largo tiempo, durante el cual se vierte más radiación a través de la ventana. Un proceso cntinuo de colisiones entre fotones producirá más pares de electrones, y las colisiones de los fotones con los electrones calentarán a los electrones y producirán más pares. La radiaciónsigue incidiendo y la temperatura sigue aumentando hasta que, finalmente, cuando un fotón choca con un electrón, se produce un par de muones positivo-negativo. Otra vez, algo nuevo se encuentra en el vacío en la forma de estos muones, y estos muones son diferentes de los pares de elctrones formados previamente. Por una parte, los muones son radiactivos.  

Se el espacio es calentado continuamente enviando más y más radiación dentro de la ventana más rápido de lo que puede escapar, empezará a aparecer partículas llamadas mesones pí o piones. Otra nueva entidad se encontrará dentro del recipiente en la forma de una fuerza nuclear muy intensa que los mantiene unidos. Los piones son muy diferentes tanto de los muones como de los electrones. Con mayor calentamiento, eventualmente aparecerán pares protón-antiprotón y neutrón-antineutrón, y así tendremos los materiales de que están hechos todos los núcleos atômicos.

Ahora podemos preguntar: ¿De dónde vinieron estas partículas? “De estados virtuales en el vacío”, es la respuesta de los físicos. A continuación debemos preguntar: ¿Estaba el vacío realmente vacío? Podemos responder que si hemos observado la produción de partículas en el vacío, entonces no estaba vacío. Si la aparición de pares partícula-antepartícula puede ser llamada evidencia de un vacío “detectable”, entoces debemos concluir que el vacío estaba atestado con electrones, muones, protones y neutrones así como de otras partículas que aparecen a medida que continúa el calentamiento del espacio. Y podemos razonar que el vacío no sólo tiene una temperatura definida, sino que también contiene un surtido inimaginablemente denso de todas las partículas existentes en la naturaleza. ίCiertamente no es una región de la nada absoluto!   

Como hemos visto, con la aparición de protones y neutrones así como de electrones en el espacio, tenemos los materiales necesarios para construir todos los elementos y compuestos (o materia) conocidos en la naturaleza. Además de la construción de elementos que continuamente acaece en nuestro recipiente original, también habrá partículas que choquen con anti-partículas frecuentemente y se desvanezcan, dejando fotones en su lugar. Establecido un equilibrio entre la materia y la radiación electromagnética, estarán presentes todos los componentes necesarios para construir una parte real del universo. Además, las partículas que han sido producidas son idénticas a sus contrapartidas en cualquier parte del universo. Los electrones y protones que habrá en el recipiente son idénticos a los electrones y protones encontrados en las más antiguas rocas o en las más lejanas estrellas.

Nuestra conclusión es que el espacio en general contiene un denso surtido de todas las partículas conocidas y que estas partículas son detctables con la ayuda de la radiación electromagnética (luz). Por esto decimos que el vacío físico es algo muy real.

Fontepesquisada: CURSO DE FÍSICA MODERNA. Autores: Virgilio Acosta, Clyde L. Cowan e B. J. Graham. Editora HARLA.

 POSTED BY SELETINOF AT 10:53 AM 

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Sobre seletynof

Escola (ensino médio):Colégio Marista Cearense;Faculdade/Universidade: Universidade Federal do Ceará;Curso:Física; Diploma:Pós-Graduação em Física;Profissão:físico e professor; Setor:Científico.

Publicado em 5 de agosto de 2007, em FISICAMATEMATICA. Adicione o link aos favoritos. 3 Comentários.

  1. buenas…  mira  es sorprendente todo lo q esta descrito en este blog…  tengo q confezarte q no soy  fisico ni nada parecido tengo solo un bachillerato tengo 20 años y estoy estudiando actualmente ing. en sistemas,  pero  si prestas atencion  veras q no es perder el tiempo si te dedicas a prestarme atencion por unos  minutos.
     
    todo lo q describistes   lo estaba imaginando…  tengo una extraña idea  sobre la luz, y a pesar de que no e hecho ningun experimento solo me baso en  la logica asi como en las teorias  planteadas por miltimples personas… tengo un proyecto bastante novedoso,  de energia, aunq solo lo tengo en mis palabras, quisiera q hablaramos hacerca del tema,   siempre  en mi vida  descubierto cosas, e inventado otras tantas, quizas por la falta de  orientacion o guia de alguien con mas conocimientos, q yo no los e desarollado, pero  e visto como  muchas de las que  habia descubierto me llevan a teorias de otros fisicos o mematicos  q solamente yo no conocia y solo me queda pensar  q si es apersona no lo hubiese descubierto antes yo lo habria hecho en este momento 🙂   en fin de verdad quiziera hablar contigo del proyecto q tengo si puedes agregame en msn  el mio es mp3_killman@hotmail.com

  2. La Traducción y Adaptación de este libro fué realizada por:RAYMUNDO JOAQUIN SADA ANAYA Coordinador del Departamento de Física de la Escuela Superior de Ingeniería Mécanica y Electrica del Instituto Politécnico Nacional. en 1975

  3. es realmente impresionante ya q n realidad no exite el vacio,
    sino q exiten regiones cnparticulas escondidas q solo son detectables cn una radiacion fuerte y constante. Es propia de ser objeto de estudio, aunq creo q eso ya lo ahi. En fin es realmente increible y cierto a la vez.

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