LOS CINCO OBJETOS COTIDIANOS MÁS EXTRAÑOS

A lo largo de los años los artículos de esta web han ido ganando en profundidad y complejidad de forma que para comprender muchos de ellos (sobre todo los relacionados con física fundamental) se requiere un conocimiento medio-alto de Física y Matemáticas. En este artículo utilizaremos solamente Matemáticas y Física de bachillerato (y un poco de relatividad y mecánica cuántica básica para darle un poco de emoción) de forma que el texto sea comprensible para cualquier persona con conocimientos básicos.

Como hemos explicado innumerables veces en este blog, la física moderna está repleta de fenómenos fascinantes, sin embargo, la mayor parte de estos fenómenos parecen tan lejanos y tan ajenos a nuestra vida cotidiana que apenas los prestamos atención. Sin embargo, en algunas ocasiones estos fenómenos exóticos "se cuelan" en nuestro mundo cotidiano sin que nos demos cuenta. En este artículo veremos cinco objetos utilizados de forma cotidiana cuyo comportamiento no puede explicarse mediante las leyes físicas "ordinarias" sino que hay que recurrir a las "exóticas" leyes físicas de la relatividad y de la mecánica cuántica.

Bienvenidos a un mundo extraño y exótico: ¡ nuestro mundo cotidiano !

1º) TERMÓMETROS DE MERCURIO

El lector que no sea demasiado joven probablemente habrá usado en alguna ocasión un termómetro de Mercurio. Aparentemente ese líquido del interior del termómetro no parece muy especial, sin embargo, el mercurio es un material muy extraño: es un metal líquido a temperatura ambiente. Intuitivamente esto es muy raro, siempre pensamos en los metales como materiales sólidos y rígidos los cuales hay que calentar a temperaturas muy altas para que se transformen en líquidos. Fijémonos en el elemento químico más parecido al Mercurio: el Bario. El Bario tiene una configuración química casi idéntica a la del Mercurio, sin embargo, el Bario es un metal sólido a temperatura ambiente y para conseguir licuarlo ¡ hay que calentarlo hasta 727ºC ! ¿Cómo es esto posible? ¿Cómo pueden tener propiedades tan diferentes dos elementos con configuraciones químicas tan similares? Para dar respuesta a esta pregunta no basta con recurrir a la física y a la química "cotidiana" hay que echar mano de física "exótica": la relatividad especial.

Como sabemos de nuestras clases de química del instituto los electrones dentro de un átomo se distribuyen en forma de "capas" llamadas orbitales. Cada orbital tiene una energía característica dentro del átomo. También recordaremos de las clases del instituto que solo los electrones de la capa más exterior determinan las propiedades químicas de un átomo ya que son estos electrones los que intervienen en los enlaces químicos con otros átomos. El número de electrones faltantes para completar esta última capa se denomina número de valencia. En los materiales sólidos los enlaces entre átomos son más fuertes, en los líquidos son más débiles y en los gaseosos son prácticamente nulos. En el caso de los metales los núcleos de los átomos están muy próximos creando una estructura tridimensional y los electrones de las capas exteriores se comparten con otros átomos para formar el enlace metálico.

La configuración electrónica del Mercurio es:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 4f14 5d10 6s2.

El orbital más exterior es el 6s y está lleno con sus dos electrones.

La configuración electrónica del Bario es:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 6s2.

La diferencia principal entre los dos elementos es que el Mercurio tiene más protones que el Bario y por tanto en aquel los electrones tienen que girar más rápido para compensar la mayor atracción electromagnética del núcleo. Ahora viene lo interesante: A partir de cierta velocidad los efectos relativistas comienzan a ser importantes, en el caso del Mercurio los electrones se mueven al 58% de la velocidad de la luz. Las ecuaciones de la relatividad especial nos indican a esta velocidad la masa efectiva del electrón aumenta en un factor de 1.23. Esto tiene como consecuencia un aumento del momento angular y una reducción del tamaño del orbital del 23%. Esto implica que los electrones 6s del mercurio están más cerca del núcleo que en el bario. Esto provoca que los electrones más externos (electrones de valencia) del Mercurio sean los del orbital 5d en vez de ser los 6s2. Sin embargo, el orbital 5d está completamente ocupado lo que hace que estos electrones no se compartan con los otros átomos de Mercurio y por tanto el enlace metálico típico de los metales no puede lograrse de forma efectiva. De esta forma el enlace entre los átomos de mercurio es muy débil y la consecuencia macroscópica es que el mercurio es líquido a temperatura ambiente. Así que la próxima vez que tengáis un termómetro de Mercurio en vuestras manos debéis pensar que el líquido del interior debe sus propiedades a la "magia" de la relatividad especial.

2º) INYECCIONES RADIOACTIVAS EN EL HOSPITAL

Quizás alguno de los lectores haya tenido que someterse alguna vez a un escáner denominado PET (Positron Emission Tomography). Esta técnica se utiliza para visualizar órganos internos y detectar posibles patologías analizando su metabolismo. Antes de realizar la prueba el paciente recibe una inyección con un líquido denominado "radio-fármaco". Quizás el lector no sepa que este líquido tiene unos componentes muy especiales: isótopos radioactivos emisores de ¡ positrones ! Pero, ¿Porqué la enfermera me inyecta un material radiactivo?

El isótopo radiactivo más utilizado en el PET es el F-18 fluorodesoxiglucosa que es un análogo de la glucosa. Este isótopo radiactivo tiene una vida media ultracorta y al ser inyectado en el paciente emite una radiación de positrones (esta radiación es muy débil y es prácticamente inocua). Los positrones constituyen la antipartícula del electrón y básicamente son electrones de carga positiva que al reaccionar con los electrones de los órganos de nuestro cuerpo producen radiación de alta energía: rayos gamma.

Como si estuviésemos en una especie de comic de superhéroes ¡Esta prueba médica nos convierte en emisores temporales de rayos gamma!

Esta radiación es fácilmente detectada y diferenciada de la radiación del entorno por los sensores del escáner que va creando una "imagen" tridimensional según el líquido emisor de positrones va avanzando por el interior del organismo del paciente. Diversas enfermedades como el cáncer producen un aumento del metabolismo en los órganos infectados, este aumento de la actividad química produce que aumente la absorción de glucosa y por tanto que el órgano con células cancerígenas "brille" mucho más que el resto de órganos. De esta forma es posible detectar numerosas enfermedades en el paciente. Sin duda este es otro ejemplo espectacular del poder de la ciencia al servicio de la salud humana.

3º) HOLOGRAMAS

Los hologramas son capaces de reproducir una imagen en 3 dimensiones a partir de una placa bidimensional. La clave estriba en que la imagen bidimensional no solo tiene información acerca de la amplitud (intensidad) de la luz sino también sobre la fase del haz de luz incidente (recordemos que la luz es una onda y por tanto posee una fase característica). Para grabar un holograma hacemos interferir la luz que procede del objeto que queremos recrear con la luz de una fuente externa. Al interferir ambos haces obtenemos la información sobre la intensidad de la luz y sobre el ángulo (fase) de la luz:

En la imagen se alumbra el punto blanco con ondas planas que vienen de la izquierda. Una parte de la luz se refleja en el punto que emite ondas esféricas hacia la derecha. Estas ondas reflejadas interfieren con las ondas planas que alumbran la escena. En los sitios donde las crestas coinciden con crestas y los valles con valles habrá máximos de amplitud. Simétricamente, donde las crestas coinciden con valles y los valles con crestas la amplitud será mínima. Si colocamos una placa fotosensible en la zona punteada de la imagen, las zonas donde la amplitud es máxima resultarán más transparentes y las zonas donde la amplitud es mínima resultarán más opacas, de esta forma queda grabada en la placa la información sobre la fase de la luz incidente.

Para observar el holograma alumbramos la placa con un haz de luz laser. Los huecos más trasparentes de la placa se corresponden con los puntos del objeto que están en fase, es decir, que tienen el mismo ángulo, los huecos un poco más oscuros se corresponden con puntos del objeto que tenían una pequeña diferencia de fase y los huecos más oscuros se corresponden con puntos del objeto con una diferencia de fase más grande. Como en esencia la diferencia de fase es proporcional a la distancia entre los puntos la diferencia en el brillo codifica la distancia entre diferentes puntos. De esta forma, al iluminar la placa, un observador situado a la derecha de la misma observará luz proveniente de la placa que posee la misma amplitud y la misma fase (que codifica la distancia entre puntos) que la luz del objeto original, es decir, ¡estará viendo una imagen tridimensional del objeto original!

4º) EL TUNEL DEL LHC EN EL SALÓN DE TU CASA

Aunque el siguiente objeto no es demasiado cotidiano es accesible a cualquier persona que quiera visitarlo en ciertas fechas de apertura al público. El acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) es la máquina más poderosa jamás construida por el ser humano. Está ubicado cerca de la frontera Franco-Suiza y posee en un túnel circular de 27 Km donde se aceleran haces de protones hasta velocidades muy próximas a la velocidad de la luz. Para conseguir esto se necesita un campo magnético de 8,3 Teslas y para conseguir este campo magnético tan inmenso hay que enfriar los imanes superconductores hasta -271 grados centígrados. Esto es casi un grado más frío que la temperatura del espacio profundo lo que convierte a esta zona del LHC en ¡uno de los lugares más fríos del Universo conocido!

Para calcular la distancia recorrida por los protones relativistas hay que recurrir a la relatividad especial de Einstein. Para calcular el factor de Lorentz utilizamos la expresión de la energía relativista:

E = m0·c2(γ-1)

Sabemos que la energía de los protones del LHC es de 7 TeV y como la masa en reposo del protón es 938,3 MeV/c2 tenemos que m0·c2 = 9,383·10-4 TeV y por tanto 7 TeV = 9,383·10-4 (γ-1). Por tanto tenemos que el factor de Lorentz es: γ ~ 7460

Sustituyendo este valor en la expresión del factor relativista de Lorentz tenemos:

γ = 1/[1- (v/c)2]1/2 y por tanto la velocidad de los protones es de v = 0,999999991·c  

Sabemos por la relatividad especial que una regla de longitud Lo que viaja a velocidades relativistas verá contraída su longitud en un factor Lo/γ por tanto tenemos que, para los protones relativistas los 27 Kms del túnel se convierten en: 27km/7460=

0.00362 Km. Esto es, para los protones los 27Km del túnel se convierten en ¡3,62metros! La contracción relativista produce que desde el sistema de referencia del haz de protones ¡ el túnel del LHC quepa en el salón de tu casa !

(Para entender mejor como se resuelven este tipo de aparentes paradojas relativistas puedes leer este artículo)

5º) LA LUZ

Por último llegamos al "objeto" de nuestra vida cotidiana más extraño que podamos imaginar: la luz. Esa entidad física que denominamos "luz" y que nos permite ver el mundo que nos rodea tiene un comportamiento realmente extraño. Para empezar, ningún objeto físico puede alcanzar jamás a un rayo de luz en el vacío. Esto quiere decir que si emitimos un fotón al espacio vacío jamás volveremos a encontrarnos con el. Solo los objetos situados en el futuro podrán detectarlos. Pero entonces, ¿Como podemos ver los objetos? La respuesta es sorprendente: Siempre vemos los objetos tal y como eran en el pasado. En el caso de los objetos cotidianos este efecto es completamente despreciable pero a escalas astronómicas solo podemos observar las estrellas tal y como eran hace decenas, cientos o miles de años.

Además, la luz es la única entidad física para la que no existe un sistema de referencia en reposo. Esto quiere decir que es imposible observar un fotón en reposo por lo que

no es posible asignar una masa o un tiempo propio a un fotón de luz.

Seguimos con otra característica no menos extraña: nadie jamás ha detectado un fotón "en vuelo". Esto quiere decir que el fotón solo puede detectarse cuando es emitido o cuando es absorbido por un átomo. Ciertas teorías de gravedad cuántica sugieren que los procesos de emisión y de absorción de fotones estarían cuánticamente entrelazados aunque aún no está muy claro como debería interpretarse este hecho de ser correcto. Estos y otros muchos fenómenos inusuales hacen que la luz sea una entidad física realmente especial.

Estamos tan acostumbrados al mundo cotidiano que vemos que no nos damos cuenta que la entidad física que nos permite ver ese mundo es uno de los objetos más extraños del Universo.

Fuentes:

Holografía, Wikipedia, Relatividad, acercándonos al LHC