Grandes experimentos de la física E-Book

Antonio M. Lallena

• Herausgeber: RBA Libros
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 184

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

A lo largo de la historia, todas las culturas han desarrollado teorías que tratan de explicar la aparición de los primeros organismos en nuestro planeta. En los últimos años, los avances en biología y genética han abierto nuevas posibilidades. ¿Es posible descubrir nuestro origen? ¿Llegaremos a recrear la vida de manera controlada en un laboratorio? ¿Existe vida en otros lugares del universo? Recorrer el camino hacia el pasado es, al mismo tiempo, una mirada al futuro. Los cuatro grandes experimentos descritos en este libro obtuvieron el éxito gracias a una importante financiación internacional. El Reactor Experimental Termonuclear Internacional, la detección de ondas gravitatorias, el Gran Colisionador de Hadrones y la observación de las propiedades de los neutrinos son proyectos que vieron la luz gracias al el esfuerzo colaborativo de numerosos científicos. Cuatro grandes logros de la ciencia que han supuesto pasos de gigante para el avance de la humanidad. El método científico llevado al límite.

Leseprobe

© Antonio M. Lallena Rojo, 2016.

© de esta edición digital: RBA Libros, S.A., 2018. Diagonal, 189 - 08018 Barcelona.

www.rbalibros.com

REF.: ODBO453

ISBN: 9788491873730

Composición digital: Newcomlab, S.L.L.

Queda rigurosamente prohibida sin autorización por escrito del editor cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra, que será sometida a las sanciones establecidas por la ley. Todos los derechos reservados.

Índice

Introducción

Buscando energía desesperadamente

Las arrugas del espacio-tiempo

¿De qué está hecha la materia?

Partículas fantasmagóricas

Bibliografía

Introducción

Son muchas las características que se han aducido para establecer diferencias entre el ser humano y el resto de los animales. El lenguaje, entendido como medio de intercambio de información, se ha considerado en muchas ocasiones con tal fin, aunque existen indicios que señalan que la comunicación entre los congéneres de algunas otras especies se lleva a cabo con algún tipo de signos codificados que podría tener cabida en ese amplio contexto.

Sin embargo, uno de los aspectos que posiblemente no tenga parangón en el ámbito zoológico, al menos hasta donde hoy sabemos, es el afán por buscar, primero, e investigar y desentrañar, a continuación, aquellos mecanismos fundamentales por los que se rigen todos los eventos que la naturaleza ofrece a nuestros sentidos. Ese interés por desenmarañar cómo y por qué ocurre lo que sucede día a día en nuestro entorno, en el más amplio sentido que podemos darle a ese término, ha constituido una de las veredas por las que se ha conducido la evolución de la humanidad desde sus albores, erigiéndose como una de sus peculiaridades más identificativas.

Las ciencias, surgidas de esas aspiraciones de conocimiento, han permitido organizar la información obtenida y establecer los procedimientos para su correcto análisis, dando como fruto un sofisticado mecanismo de verificación o refutación de teorías, una herramienta básica en la búsqueda del entendimiento: el método científico.

Aquí vamos a lidiar con una de esas ciencias: la física. Física es una palabra que deriva del griego antiguo: φυσικός, la «naturaleza». Ese es pues el objeto de estudio de esta disciplina científica que tiene por «mandato» establecer cómo está formada toda la materia presente en el universo, cuáles son los procesos que rigen su evolución en el espacio y en el tiempo y cómo aquellos están relacionados con las fuerzas que actúan y con la energía puesta en juego en los mismos. Podríamos, por tanto, decir que, en definitiva, la física persigue la explicación de todo aquello que puede ser observado.

La palabra clave es, pues, observación. Esa es la base sobre la que se fundamenta todo el trabajo que hasta hoy día se ha llevado a cabo en el ámbito de la física. Además, el procedimiento seguido es conceptualmente simple: se trata sencillamente de diseñar experimentos que, al menos a priori, nos permitan «ver» los efectos en los que estamos interesados, registrar los resultados de las medidas que los dispositivos experimentales construidos para su detección nos permitan realizar y, finalmente, interpretar esos resultados a la luz de algún modelo o teoría, de manera que sea posible desentrañar los mecanismos que rigen los procesos básicos involucrados en esos experimentos. Y, si tal modelo o teoría no están disponibles, o bien los resultados empíricos se empecinan en descartar aquellos que sí lo estén, será preciso desarrollar unos nuevos, incorporando en ellos el conocimiento adquirido. Si, como también ocurre en muchas ocasiones, el experimento diseñado tiene como objetivo último comprobar una teoría o un modelo ya establecidos para un determinado proceso, serán precisamente sus predicciones lo que se pretenderá validar o falsar a partir de los resultados experimentales que se encuentren.

Por tanto, la física, en este sentido, va más allá de la escueta observación, resultando más bien sinónima de la «experimentación», uno de los fundamentos del método científico al que antes nos hemos referido. Y es precisamente a algunos experimentos particulares a los que está dedicado este libro. Más concretamente, vamos a examinar «grandes experimentos de la física», entendiendo aquí el calificativo en su acepción de dimensión espacial, es decir, vamos a analizar instalaciones experimentales de tamaños colosales, que solo han podido ver la luz gracias a un formidable esfuerzo cooperativo de numerosos científicos e ingenieros de diferentes nacionalidades y una importante financiación internacional. Pero, lejos de estar reñidos con la «grandeza» científica, estos experimentos concitan una excelencia intelectual fuera de toda duda, que garantiza la consecución de avances no solo científicos sino, en muchos casos, también de carácter pragmático para la sociedad.

El primero de ellos no ha entrado aún en funcionamiento, pero es posible asegurar que de sus resultados dependerá de manera relevante cómo enfrentará la humanidad su evolución en un futuro próximo. La producción de energía es uno de los problemas fundamentales a resolver hoy día y cabe señalar, sin temor a exagerar, que requiere que lo sea más pronto que tarde, ya que las actuales fuentes energéticas están alcanzando niveles tales que, o bien tienen una duración muy cortoplacista, o bien interactúan de manera agresiva con el medio ambiente, o bien no permiten garantizar la satisfacción de nuestras necesidades actuales, cuando menos las que estén por venir. La instalación de la que estamos hablando es el ITER que, con toda seguridad, supondrá un hito en este sentido. El ITER se ha diseñado para facilitar el pasaje entre los experimentos de producción de energía de fusión realizados hasta la fecha y el primer prototipo realista de producción de energía de fusión a nivel industrial, abriendo así, de manera definitiva, la puerta hacia la consecución del sueño de esta fuente de energía casi «limpia e indefinida», que nos ha acompañado desde hace ya casi un siglo.

Bastantes de los experimentos más importantes de la física de los últimos tiempos se han hecho para indagar en la evolución del universo, y también para poner a prueba la teoría que en la actualidad mejor describe dicha evolución, la teoría de la relatividad general. Las predicciones de esta teoría, formulada por Einstein a principios del siglo XX, se han ido verificando con precisión más que notable. La última de ellas, la que hace referencia a la existencia de ondas gravitatorias, ha podido ser comprobada recientemente en una instalación denominada LIGO y que solo cabe catalogar como impresionante. La precisión lograda en los dos observatorios interferométricos que constituyen el experimento está en los límites de lo que es posible conseguir con la instrumentación y la tecnología actuales. Y los resultados obtenidos son admirables por su simplicidad, lo que está en consonancia con la sencillez conceptual del dispositivo experimental que, no obstante, ha requerido de un esfuerzo técnico sin precedentes. La repercusión que los resultados de este experimento puedan tener en el modelo de universo admitido en la actualidad se verá en los próximos años. En esa línea jugarán un papel muy importante las nuevas vías de obtención de información sobre eventos a escala del universo que prometen abrirse con esta técnica experimental que tan verosímil se ha mostrado. Y cuando empecemos a discernir la nueva información que pueda obtenerse, habrá que prestar atención a las posibles modificaciones del paradigma, tal y como hoy día lo conocemos, a las que esa información pueda dar lugar.

El LHC es otro «gran experimento», que destaca además por la enormidad de sus instalaciones. Este acelerador de partículas, el mayor y más potente de todo el mundo, fue construido en el CERN con el objetivo, entre otros, de encontrar el bosón de Higgs, es decir, de demostrar la existencia de la única partícula que aún no había sido descubierta de todas las que forman parte del modelo estándar, la teoría que describe nuestro conocimiento actual acerca de cuáles son los constituyentes fundamentales de la materia y cuáles son las interacciones que se ponen en juego entre ellos. Apenas cuatro años después de entrar en funcionamiento, y a pesar de un incidente técnico que lo mantuvo inactivo durante varios meses, los equipos de dos de los experimentos que se llevan a cabo en él notificaron la observación de una partícula compatible con las características que debía tener la que se estaba buscando. No cabe duda de que, conseguido uno de sus grandes objetivos, el LHC va a permitir profundizar en la fiabilidad del modelo estándar y, ¡cómo no!, recabar nueva información que, o bien ratifique lo que dicho modelo establece o bien requiera de una nueva teoría. Cualquiera de los escenarios será realmente fascinante.

Otros experimentos igual de atractivos tendrán en los próximos años la misión de acotar las propiedades físicas de las más elusivas de las partículas elementales hoy día conocidas: los neutrinos. La enorme dificultad que conlleva su detección no ha sido óbice para que, desde que fueron propuestas teóricamente allá por 1930, se hayan construido distintas instalaciones enfocadas al estudio del comportamiento de estas partículas y de sus características fundamentales, en particular, su masa. Las técnicas desarrolladas en torno a los neutrinos constituyen uno de los conjuntos de procedimientos más extenso y rico de la historia de la física y, como veremos, la imaginación de los científicos no se ha detenido en lo que respecta a este candente tema de investigación. Los resultados que nos depararán las más recientes instalaciones dedicadas a los neutrinos serán, con seguridad, y como lo han sido todos los obtenidos para estas partículas hasta el presente, más que sorprendentes.

Para apreciar las razones que han llevado a la comunidad científica a proponer y construir estas instalaciones, así como el impacto de los resultados experimentales a que han dado (o darán) lugar, no nos restringiremos a los experimentos concretos, sino que trataremos de exponer y analizar también los hechos históricos que los precedieron. Y ello sin renunciar, en cualquier caso y como no podría ser de otra forma, a indagar sobre la física básica que se ha pretendido (o se pretende) comprobar, descubrir o demostrar con ellos. Creemos que estas cuestiones relacionadas con la física implicada en los problemas bajo estudio, en todos y cada uno de los experimentos que vamos a analizar, y con la propia historia de los mismos, no son en absoluto desdeñables, puesto que solo desde una perspectiva amplia que las involucre es posible aprehender los detalles fundamentales de esos experimentos que de otra forma quedarían ocultos bajo los múltiples aspectos técnicos de los mismos.

Buscando energía desesperadamente

Es curioso cómo los escenarios que prevén la mayoría de los relatos y películas futuristas repiten una y otra vez dos tipos de situaciones. Uno es el estilo Mad Max en el que la humanidad ha llegado a una situación de total penuria energética y en el que el leitmotiv del día a día no es otro que la lucha por conseguir combustible a costa de cualquier cosa, vida humana incluida. El otro tiene su representante paradigmático en La guerra de las galaxias y en él todos los problemas de abastecimiento energético están más que solventados, las naves son capaces de viajar a la velocidad de la luz de manera cotidiana y las preocupaciones de la humanidad marchan por derroteros algo más esotéricos. Sin embargo, la generación de energía es un problema cada día más acuciante y lo que el futuro nos deparará es, cuando menos, incierto. A pesar de ello contamos con una esperanza, la fusión termonuclear, y con un experimento que nos permite cierto optimismo al respecto.

El 21 de noviembre de 2006 se firmó un acuerdo internacional que abrió una etapa esperanzadora en la búsqueda de una fuente de energía sostenible para el futuro. Ese día, en París, un consorcio internacional formado por China, Estados Unidos, India, Japón, Corea, Rusia y la Unión Europea aprobó el acuerdo formal del proyecto del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER, por sus siglas en inglés). Casi un año después, el 24 de octubre de 2007, la organización comenzaba su andadura. Y es que iter, en latín, significa «camino» o «viaje», lo que concede al proyecto, a través de su propia denominación, una imagen palmaria de lo que se requerirá para culminar sus objetivos y de la ambición inherente a este gran experimento.

Pero la historia del ITER, como no podía ser de otra manera, se remonta a bastante tiempo antes. Con la Guerra Fría dando sus últimos coletazos, Ronald Reagan, entonces presidente de Estados Unidos, y Mijaíl Gorbachov, a la sazón secretario general del Partido Comunista de la Unión Soviética, se encontraron personalmente por vez primera durante los días 19 y 20 de noviembre de 1985, en Ginebra, con la intención de mantener conversaciones sobre cuestiones diplomáticas y, lo que era más importante, la carrera armamentística. Entre los tira y afloja relativos a los temas de relevancia, Gorbachov convenció a Reagan de que sería provechoso colaborar para disponer de la fusión nuclear como fuente de energía. El documento publicado el 21 de noviembre sobre el encuentro contenía 13 puntos; el último rezaba así: «Investigación sobre fusión. Los dos líderes enfatizaron la potencial importancia del trabajo dirigido a la utilización de la fusión termonuclear controlada con fines pacíficos y, en consecuencia, abogaron por el más amplio desarrollo posible de una cooperación internacional para obtener esta fuente de energía, que es esencialmente inagotable, para el beneficio de toda la humanidad».

Esta breve declaración de intenciones no cayó en saco roto y contó con el decidido impulso de dos personajes que merecen ser destacados: Alvin Trivelpiece, Director de la Oficina de Investigación de la Energía en el Departamento de Energía de Estados Unidos, y Yevgueni Velikov, asesor científico de Gorbachov y amigo personal suyo. Así, en 1987, Estados Unidos, Japón, la Comunidad Europea de la Energía Atómica (después la Unión Europea) y la Unión Soviética alcanzaron un acuerdo para abordar el proyecto, cuyo diseño se inició al año siguiente y se culminó en 2001. China y Corea se unieron al grupo dos años más tarde, India se incorporó en 2005 y Suiza lo hizo en 2009.

En 2005, se tomó una decisión importante: el ITER se instalaría en Cadarache, uno de los centros de investigación y desarrollo de energía nuclear más importantes de Europa, situado a poco más de cuarenta kilómetros de Aix-en-Provence, la capital de la Provenza, al sur de Francia. El centro de Cadarache se creó en 1959 y cuenta con diversas instalaciones en las que se abordan no solo problemas de carácter nuclear (tanto de fisión como de fusión), sino también relativos a las energías alternativas (producción de hidrógeno y combustibles sintéticos, energía solar fotovoltaica y biomasa) y otras disciplinas del ámbito de la biología (fisiología vegetal, radiobiología y microbiología). Desarrollan asimismo estrategias para la seguridad y el control de riesgos y estudian el posible impacto ambiental de la actividad nuclear.

El objetivo fundamental del ITER es el de servir de nexo de unión entre las máquinas de investigación, que en el pasado reciente han probado la viabilidad de la fusión como fuente de energía, y las futuras centrales eléctricas de fusión que darán servicio a la sociedad. Para ello en el ITER se espera, por primera vez, poder mantener el proceso de fusión con producción neta de energía durante largos periodos de tiempo, lo que permitirá estudiar en detalle todos los aspectos relevantes del mismo, como son el comportamiento de los materiales empleados, los desarrollos tecnológicos que se deben llevar a cabo y los regímenes físicos que se requerirán para poder generar energía eléctrica de forma comercial.

LA CLAVE ES LA ENERGÍA

Pero antes de profundizar en los detalles de este gran experimento, es necesario desentrañar algunas de las cuestiones básicas que se esconden tras él. Y qué mejor punto de inicio que describir la física básica que se pone en juego en los procesos de fusión nuclear.

Como en todos los eventos que ocupan a la física, la fusión nuclear está gobernada fundamentalmente por la energía. Esta es una magnitud física que mide la capacidad que un sistema tiene para producir trabajo. En otras palabras: los fenómenos físicos se manifiestan en forma de modificaciones del sistema involucrado en los mismos, y esas modificaciones pueden ser desde simples cambios en la posición del sistema o de sus componentes hasta transformaciones de su estado físico, pasando por variaciones de sus propiedades intrínsecas o de sus constituyentes. Esas modificaciones, cuando se producen, están originadas por la realización de un cierto trabajo, bien sea por fuerzas externas al sistema (como cuando un velero es desplazado por la acción del viento) o debido a las fuerzas que puedan ponerse en juego internamente en el propio sistema (como ocurre, por ejemplo, cuando nos movemos de un sitio a otro andando o en bicicleta).

La importancia de la energía estriba en que cualquiera que sea el proceso físico que se esté analizando, la energía total del sistema se conserva. Un tipo de energía puede convertirse en otro, pero no se crea ni se destruye. En el caso antes mencionado, cuando una persona se desplaza caminando, la energía «muscular» que, a su vez, deriva de la energía «química» acumulada a partir de los alimentos ingeridos, se transforma en energía «cinética», asociada con la velocidad que adquiere el caminante, y en energía «térmica», que se acumula en el suelo y en los zapatos y que se debe al rozamiento de estos con aquel, sin el cual no sería posible caminar.

En física, esta propiedad inherente a todos los procesos se conoce como principio de conservación de la energía total y tiene implicaciones en cómo esos procesos ocurren. En el caso particular que nos interesa, el de la fusión nuclear, la conservación de la energía establece una restricción fundamental: un proceso no puede llevarse a cabo si la energía total «disponible» en el sistema antes de que suceda es inferior a la que dispondría este tras haberse producido el evento. Veamos un ejemplo.

Supongamos que queremos analizar la viabilidad de la fusión de dos núcleos como el y el en otro de . La reacción sería la siguiente:

NOMENCLATURA NUCLEAR

La física nuclear es la parte de la física que estudia los núcleos de los átomos. Se trata de agrupaciones de protones y neutrones (denominados indistintamente con el nombre de nucleones) que se suelen simbolizar como , donde Z es el número atómico, es decir, el número de protones del núcleo, N es el número de neutrones del mismo y AZ +N es el número másico. X representa el símbolo del elemento químico correspondiente al átomo en el que se encuentra el núcleo en cuestión. Todos los núcleos que tienen el mismo Z y distinto N se denominan isótopos, ya que todos ellos se encuentran en la misma posición de la tabla periódica de los elementos.

Organizados en una tabla

Veamos algunos ejemplos. El núcleo de hidrógeno, , está compuesto en realidad por un único protón; sin embargo los núcleos de los átomos de deuterio, , y de tritio , dos isótopos del hidrógeno, están compuestos respectivamente por un protón y un neutrón, y por un protón y dos neutrones. La mayor parte del carbono natural está compuesta por átomos cuyo núcleo es , con pequeñas cantidades de otros isótopos, como el , que se utiliza en datación de muestras biológicas. El isótopo más abundante en el oxígeno natural es el . Núcleos importantes relacionados con la producción de energía nuclear son el y el . Al igual que los átomos se organizan en la tabla periódica, los núcleos se distribuyen en la tabla de isótopos.

donde n indica un neutrón. Si suponemos que los dos núcleos que se fusionan están inicialmente en reposo, la energía disponible antes de la fusión sería

donde hemos hecho uso de la conocida ecuación Emc2 de la teoría de la relatividad que establece la equivalencia entre masa y energía. Pues bien, la reacción de fusión que nos interesa no podrá tener lugar si Einicial es inferior a la energía del sistema después de la fusión, que es, como mínimo, la que corresponde a la suma de las masas de los dos productos de la reacción, m()c2 + mnc2. En caso contrario, si la energía disponible antes del proceso es mayor (o igual) que esa energía final mínima, la fusión podría producirse. En física nuclear se denomina valor Q de la reacción a la diferencia entre ambas energías:

Por tanto, la reacción puede ocurrir solo si Q ≥ 0, y el «exceso» de energía, cuando lo hubiere, se emplearía en dotar de energía cinética al núcleo resultante de la reacción, el 4He, y al neutrón, que estarían en movimiento con una cierta velocidad tras el proceso.

Con esta cuestión básica en mente hay dos preguntas relevantes que hacer. La primera es si cualquier reacción energéticamente permitida ocurrirá. La respuesta es que no siempre, ya que podría estar prohibida por otras razones. Es decir, que la condición energética que hemos establecido antes es necesaria, pero no suficiente. En el caso de la fusión esto es fácil de entender: para que se produzca el proceso los dos núcleos deben entrar en contacto uno con el otro, pero como ambos están cargados positivamente, al acercarlos se repelerán y, por tanto, la fusión solo será posible si antes hemos sido capaces de vencer esa repulsión electrostática. Esto constituye uno de los grandes problemas a resolver en la práctica.

La segunda pregunta es: ¿cuáles son pues las reacciones de fusión que están energéticamente permitidas? La respuesta solo puede darse analizando cada reacción concreta. Sin embargo, es posible tener una idea general al respecto analizando una propiedad fundamental de los núcleos atómicos: la energía de enlace.

En física se define la energía de enlace como la energía necesaria para disociar un sistema dado en todos sus componentes individuales. En el caso de un núcleo atómico que tenga Z protones y N neutrones la podemos escribir como

siendo mp y mn las masas del protón y del neutrón, respectivamente, y m(Z,N) la del núcleo en cuestión. La figura 1 nos muestra cómo varía la energía de enlace promedio por nucleón con el número de nucleones, AZ+N. Si no tenemos en cuenta los núcleos más ligeros, vemos que la energía de enlace por nucleón cambia muy poco a medida que A aumenta, tomando valores de entre 7,5 y 8,8 MeV/nucleón, aproximadamente (MeV=megaelectronvoltio). Este efecto es debido a que la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene unidos a los nucleones en los núcleos, es de corto alcance, a diferencia de lo que sucede con las interacciones gravitatoria y electromagnética, que tienen alcance infinito. A consecuencia de ello, cada nucleón solo interactúa mediante la fuerza nuclear con unos pocos nucleones cercanos y de ahí la poca variación de la energía de enlace por nucleón. Por tanto, en lo que respecta a esa interacción, no es demasiado relevante el número total de protones y neutrones que tenga el núcleo.