Componentes del Universo y Estructura del Universo

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Componentes, Formación y Estructura del Universo, Energía y Materia

“Dame materia y construiré un mundo a partir de ella.” Durante 200 años desde que el filósofo Immanuel Kant la pronunció, físicos, químicos y astrónomos se han esforzado por hacer buena esa jactancia. El hecho de que ahora puedan contar una historia casi ininterrumpida de eventos desde el nacimiento del universo hasta el origen de la vida en la Tierra es el resultado acumulado de muchas vidas pasadas en cuidadosa observación y experimentación. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto).

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Sin embargo, incluso en medio de este éxito en la actualización de los primeros versos del Génesis, nuevas preguntas se presentan. ¿Por qué la materia familiar adopta las formas que lo hace? ¿Las leyes de la naturaleza que conocemos se aplican en todo el vasto y tumultuoso universo? ¿Qué mundos inimaginables de fuego o de oscuridad puede conjurar la naturaleza, muy diferentes de los nuestros?.

Cuando los hombres presumen de tomar el fuego del Sol y ponerlo experimentalmente en una botella, pierden toda esperanza de certeza y reposo.

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Sin embargo, la gran búsqueda por el control de la naturaleza comienza con bastante delicadeza. Un niño jugando con bloques de construcción o arena o una pelota de goma es una mente humana ocupada en descubrir cómo se comporta la materia. Los experimentos con la pelota de goma, por ejemplo, revelan las leyes de la reflexión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). El niño descubre que la pelota solo volverá a él si la proyecta con precisión en ángulo recto sobre una superficie plana (pared o suelo); de lo contrario, rebota y otro niño puede agarrarla e interrumpir el programa de investigación.

Creo que los niños adultos han abandonado este tipo de juego, la especie humana todavía creería que la Tierra estaba en el centro del universo, que los planetas eran impulsados por el poder de los ángeles, y que el trueno era la voz de Dios.Si, Pero: Pero algunos adultos conservaron la curiosidad ilimitada de los jóvenes. Isaac Newton, no el más modesto de los descubridores, se comparó a sí mismo con un niño jugando a la orilla del mar. Los críticos de hoy en día se refieren mordazmente a los “juguetes caros” de los físicos que quieren muchos millones de dólares para construir un acelerador de partículas. No es injusto que un acelerador de partículas, a pesar de su impresionante complejidad y coste, sea simplemente una forma moderna de continuar los experimentos con la pelota de goma, para ver qué ocurre cuando la pelota es muy pequeña y viaja casi a la velocidad de la luz.

Por caminos extraños, el juego lleva a resultados de gran alcance. Después del descubrimiento de que una corriente eléctrica crea magnetismo, Michael Faraday hizo una nota para buscar electricidad en el magnetismo. Jugó repetidamente con imanes y cables hasta que, diez años después, descubrió la inducción electromagnética. Hoy en día, los turbogeneradores gigantes confirman su descubrimiento 60 veces por segundo, ya que alimentan de energía eléctrica a nuestras fábricas y cocinas.Entre las Líneas En las manos de James Clerk Maxwell, las siempre cambiantes corrientes eléctricas de Faraday se transformaron en ecuaciones matemáticas que predecían la existencia de ondas que viajaban a la velocidad de la luz y que, en efecto, eran radiaciones ligeras e invisibles de un tipo similar, incluidas las ondas de radio. Otros investigadores que, sin darse cuenta, hacían pedazos los átomos, se encarnaron con un rayo de electrones, que los inventores convirtieron en un lápiz mágico; hoy en día esas ondas y electrones permiten a los hombres de menor rango acicalarse en las pantallas de televisión de 260.000.000 de hogares.

En esta última parte del siglo XX, una prueba de asociación de palabras para el físico puede muy bien evocar la bomba. Por coincidencia, los investigadores de la naturaleza de la materia y la energía tropezaron con una forma de abrir el almacén de energía en el núcleo del átomo justo en el momento en que la especie humana estaba entrando en un período de guerra sin precedentes. Los enjambres de submarinos de propulsión nuclear que navegan con misiles de propulsión nuclear, que matan a la ciudad, son un resultado bastante sombrío del “garue”. El hecho es que el corazón de la física en sí no está dirigido a tal propósito, sino que es un esfuerzo abierto y cooperativo de los científicos de todas las naciones para entender el universo material en el que vivimos.

Habitamos un mundo eléctrico. Es cierto que la gravedad impide que caigamos de cabeza en el abismo del espacio; también es cierto que la luz del día que alimenta toda la vida proviene del reactor nuclear que llamamos el Sol.Si, Pero: Pero del gran conjunto de fuerzas naturales conocidas por el físico -gravitacional, nuclear y electromagnética- el último, el electromagnetismo, es el principal gobernador de los acontecimientos en la Tierra.

Sin embargo, opera tan discretamente que cuando los hombres comenzaron a frotarse ámbar en las mangas y descubrieron que atraía el polvo, o consideraron la aparente magia de la piedra arenisca que apuntaba al norte, nada sugería que se tratara de algo más que de curiosidades. Hubo risas cuando Benjamín Franklin dijo que los rayos eran eléctricos, hasta que lo demostró. Nada sugería que el color, la calidad y el comportamiento químico de toda la materia familiar se explicara por la investigación en electricidad y magnetismo.Si, Pero: Pero eso está en la naturaleza de la física: se reflexiona sobre la caída de una manzana y se comprende qué es lo que mantiene a los planetas en su curso; se observa lo que sucede cuando se pasan corrientes eléctricas a través de un gas y, a su debido tiempo, se descubre qué es lo que mantiene unida a una piedra y por qué la hierba es verde.

Una serie de descubrimientos a finales del siglo XIX y principios del XX iluminaron los mecanismos ocultos de nuestro mundo eléctrico como cáscaras de estrellas en una noche oscura. El trabajo diligente de los químicos había demostrado que toda la materia estaba compuesta por un gran número de átomos, diferentes para cada elemento químico y capaces de combinarse de forma predecible para formar moléculas y cristales. De hecho, había un patrón notable en la llamada “tabla periódica”: cuando los elementos químicos se enumeraban por peso, resultaba que los elementos 3, 11 y 19 … todos tenían propiedades similares; 4, 12 y 20 … también eran muy parecidos, y así sucesivamente.
Este patrón solo tuvo sentido cuando los físicos descubrieron la construcción de la materia atómica. Un átomo consiste en un núcleo pesado rodeado por un número de electrones ligeros que neutralizan exactamente la carga eléctrica en el núcleo. Los electrones se agrupan alrededor del núcleo en “capas”, como las capas de una cebolla, cada capa es capaz de alojar un número definido de electrones. La cara externa del átomo, su capa más exterior de electrones, es crucial para determinar su comportamiento químico. El número de electrones que se pueden alojar depende de la carga en el núcleo.Entre las Líneas En algunos elementos, los metales, solo hay uno o dos electrones fácilmente desmontables en la capa más externa. Otros elementos, los no metales más reactivos, se quedan cortos por solo uno o dos electrones al tener una cubierta exterior completa. Estos electrones “sobrantes” y “faltantes” crean una situación de oferta y demanda en la que los átomos se combinan químicamente intercambiando o compartiendo electrones. La repetición de las propiedades químicas a lo largo de la tabla periódica surge cuando una capa de electrones se completa y la siguiente comienza a llenarse.

Los mecanismos esbozados en estas últimas frases explican casi todo el comportamiento químico de toda la materia de la Tierra. El comportamiento eléctrico y magnético de los materiales también depende de la disposición de los electrones en sus átomos y, en algunos casos, de los efectos combinados de muchos átomos empaquetados en un cristal. La fuerza de los enlaces químicos formados por los electrones, y las fuerzas relacionadas entre las moléculas, determinan si los materiales son sólidos, líquidos o gases; y ayudan a fijar la fuerza y la flexibilidad de los sólidos, pero en este caso las explicaciones se complican por los defectos invisibles que existen en todos los materiales. El color de los materiales se explica por los “saltos”, de una posición a otra en las proximidades de un átomo, que las reglas permiten que un electrón haga como el átomo, la molécula o el cristal absorbe o emite luz de una energía o color particular. Hacer que los mismos electrones en un gran número de átomos “salten” de la misma manera simultáneamente y se obtiene un rayo láser muy intenso.

La luz y sus contrapartes invisibles, las ondas de radio, el infrarrojo, el ultravioleta y los rayos X, son la forma más pura de energía. Estas “radiaciones electromagnéticas” son creadas por la sacudida de los electrones, a veces muy suavemente, como en una antena de radio, y a veces muy ferozmente, como cuando un rayo de electrones de movimiento rápido es detenido repentinamente por el objetivo en un tubo de rayos X. Los “saltos” normales de los electrones en los átomos son de intensidad intermedia. Todas estas formas radiantes de energía pueden viajar a través del espacio vacío, por ejemplo desde el Sol a la Tierra.

Pero la energía puede cambiar fácilmente de una forma a otra. La luz solar captada por las hojas verdes se convierte en la energía química de las plantas. El carbón es materia vegetal enterrada hace millones de años cuando los continentes chocaron, y una caldera puede convertir la energía química del carbón en un chorro de vapor hirviente que hace girar las aspas de una turbina – estas son formas de energía cinética, la energía del movimiento dirigido. Usando el truco de Faraday, la turbina puede generar energía eléctrica. Al final de esta cadena de transformaciones, puede encender la energía eléctrica y reconvertirla en energía lumínica, disfrutando así de los beneficios de la luz solar después de la puesta del Sol.

Las vibraciones del sonido y la energía gravitacional del agua a punto de caer en cascada por la ladera de una montaña son otras formas de energía.

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Sin embargo, tarde o temprano, un grito desaparece, el agua se detiene, la luz de su bombilla eléctrica se absorbe en el papel de pared. ¿A dónde se ha ido la energía? Ha sido absorbida en esos movimientos aleatorios de átomos y moléculas que llamamos calor. Toda la energía se degrada hasta convertirse en calor sin sentido eventualmente.

A menos que hubiera un suministro continuo de nueva energía, la vida y, de hecho, toda actividad interesante en el universo cesaría rápidamente. Por ejemplo, el cerebro se mantiene en funcionamiento por la energía química de los alimentos producida por la luz solar solo en los últimos meses. Esos nuevos suministros de energía provienen de la transformación de la materia en energía.

El Sol es una estrella muy ordinaria, que se encuentra en los suburbios de una galaxia que consta de alrededor de 100.000.000.000 de estrellas; vemos la sección transversal bastante plana de la galaxia como la Vía Láctea, una pincelada de luz a través del cielo nocturno. No hay nada especial, incluso, en nuestra galaxia; es solo una de las numerosas galaxias dispersas como naves en un gran océano del espacio.

El universo es un campo de batalla entre la gravedad y las fuerzas nucleares. Para hacer una estrella, la gravedad barre una masa de gas hidrógeno; se calienta y comienzan las reacciones nucleares. Los núcleos de los átomos de hidrógeno se combinan para hacer elementos más pesados casi, pero no tanto, como la suma de los núcleos de hidrógeno que los componen. La poca materia que se pierde se convierte en una cantidad relativamente inmensa de energía. Haría estallar a la estrella si no fuera por la fuerte restricción de la gravedad. Se logra un equilibrio, y el tamaño y el brillo de una estrella depende de su masa y de la cantidad de su combustible nuclear que se ha quemado. Afortunadamente, nuestra estrella, el Sol, es un consumidor lento; sin embargo, inexorables cambios físicos dentro de miles de millones de años harán que el Sol crezca hasta llenar todo nuestro cielo y tragarse la Tierra.

En una estrella más masiva que el Sol, esta “combustión” de combustible nuclear avanza más rápido y culmina en una vasta explosión llamada supemova.Entre las Líneas En la explosión, las reacciones nucleares proceden rápidamente y producen todos los diferentes elementos químicos.

Informaciones

Los diversos átomos, más pesados que el hidrógeno, de los cuales están construidos nuestros propios cuerpos, fueron hechos en estrellas que explotaron antes de que se formara el Sol. Parte del material pesado quedó arremolinándose alrededor del Sol recién nacido y formó la Tierra. La energía radiactiva almacenada en algunos de los elementos proporcionó una fuente interna de calor para la Tierra que explica los volcanes, los terremotos y los lentos movimientos de los continentes. La luz del sol agitó los materiales de la superficie de la Tierra en actividad química. Con el tiempo esta actividad se organizó de formas peculiares, y la vida comenzó.

Hasta ahora, todo bien.Si, Pero: Pero hay nuevos misterios que son “fuera de este mundo”, en el sentido de que la materia y la energía están involucradas en eventos mucho más violentos que cualquier cosa que normalmente se encuentra en la Tierra o incluso en el Sol. Las preguntas primordiales con las que los físicos están luchando ahora pueden ser parafraseadas como sigue: ¿Por qué el hidrógeno es la materia prima del universo? Los experimentos con el núcleo del átomo de hidrógeno – el protón – se llevan a cabo en los grandes aceleradores que transforman la materia del núcleo atómico en partículas extrañas y de corta vida. Estas partículas tienen propiedades, similares a la carga eléctrica, llamadas la hipercarga y el número de bariones. Por ejemplo, el propio protón tiene, además de una carga eléctrica de +1, una hipercarga de +1 y un número de bariones de 1.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

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Sin embargo, las partículas pueden transformarse en violentas las interacciones, los totales de carga, la hipercarga y el número de bariones no cambian.

Al intentar averiguar por qué este orden parcial permanece en medio de las confusas variedades de materia nuclear, los teóricos son llevados a la idea de que las partículas que vemos consisten en combinaciones de otras partículas bastante diferentes a las que han llamado quarks. Un temprano éxito de esta teoría fue la predicción de la existencia de una nueva combinación, una partícula llamada el omega menos que eventualmente (finalmente) apareció en 1964 durante un experimento con la gran máquina en el Brookhaven National Laboratory, Long Island, N.Y. Los quarks en sí no han sido descubiertos en el momento de escribir este artículo.

El siguiente gran salto en la comprensión puede muy bien llegar cuando la teoría de cómo se comportan los pequeños trozos de materia se mezcle con la teoría de la gravedad, que en la actualidad se refiere a los enormes trozos de materia que componen nuestro universo de galaxias, estrellas y planetas. Con una teoría tan “unificada”, los físicos podrían por fin ser capaces de responder a la pregunta sobre la materia prima del universo: ¿por qué el hidrógeno? Al mismo tiempo, quizás lleguemos a entender por qué la materia se formó en el “big bang”, con el que (como muchos astrónomos suponen ahora) el universo llegó a existir hace unos 10.000.000.000 de años, o por qué el “big bang” no fue simplemente un “big flash”.

Incluso un avance tan fundamental no agotaría la oportunidad de nuevos descubrimientos en las ciencias físicas. Otro conjunto de problemas embarazosos resulta de objetos muy extraños recientemente descubiertos en el cielo, a saber, galaxias “calientes”, cuásares y púlsares. Los cuásares, en particular, son objetos compactos de tan extraordinaria energía que las leyes físicas existentes parecen apenas capaces de explicarlos. Los púlsares, que parpadean muchas veces por minuto, también son muy extraños, pero menos desconcertantes. Evidentemente son restos de estrellas que han explotado y que han colapsado hasta alcanzar la enorme densidad del material del núcleo atómico. Si un revestimiento oceánico se comprimiera hasta la densidad de un púlsar, no sería más grande que un grano de arena.

La evidencia de los púlsares anima a una idea más amplia, una de las más extrañas en toda la historia del estudio de la materia y la energía por parte del hombre.Entre las Líneas En un púlsar, las fuerzas nucleares evitan el colapso a densidades aún mayores.Si, Pero: Pero si la estrella colapsada fuera aún más masiva, la gravedad sería más fuerte y abrumaría incluso a las fuerzas nucleares. Entonces no habría nada que detuviera el proceso hasta que la estrella entera se hubiera colapsado a un tamaño menor que un cacahuete. A través del intenso campo gravitatorio así establecido, ninguna luz podría escapar, y la estrella en efecto desaparecería del universo. Sólo su gravedad permanecería, como la sonrisa del Gato de Cheshire en A/hielo en el País de las Maravillas, y, si un viajero espacial se encontrara con uno de estos “agujeros negros”, él también se vería atraído por el mismo núcleo invisible, allí para desaparecer para siempre, o al menos hasta que las leyes de la física cambien.

La posibilidad de que tales agujeros negros existan tiene la esperanza de explicar a los cjuasares como objetos de este tipo de los cuales la materia de alguna manera “rebota”.Si, Pero: Pero eso es solo un pequeño consuelo cuando los científicos tienen que reexaminar ahora la teoría de la gravedad, que pensaban que Einstein había aclarado hace alrededor de un siglo, y elaborar las implicaciones de un universo salpicado de agujeros negros donde es poco probable que se apliquen las conocidas leyes de la naturaleza. Existe incluso la incómoda sugerencia de que todo nuestro universo puede ser solo un gran agujero negro en otro universo. La física, la ciencia maestra, no puede evadir estas nuevas batallas de la mente.

Revisor: Lawrence

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