Bienvenidos a lo que sería la 7ª parte de este post , acá van a estar las preguntas 66 hasta la 76.
Y si quieren, mientras leen el post (que no sé si lo van a hacer), escuchen este tema :
(Es el nuevo grupo de Michael Kiske, ex-Helloween).
66)¿Cuánto y durante cuánto tiempo hay que calentar el hidrógeno para mantener una reacción de fusión?
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67)¿Cómo funciona un microscopio electrónico?
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68)¿Qué es la entropía?
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69)¿Está degradándose el universo?
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70)¿Qué relación hay entre entropía y orden?
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71)¿Qué relación hay entre la entropía y el tiempo?
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72)Si el universo está constantemente degradándose, ¿cómo fue al principio
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73)Las ondas de radio y las ondas luminosas se utilizan para "ver" cosas en el espacio. ¿Hay otras clases de ondas con las que podamos "ver"?
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74)Al calentar una sustancia se pone primero roja, luego naranja, después amarilla, pero a continuación blanca
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75)¿Por qué no sigue el espectro y se pone verde?
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76)¿Qué es la luz polarizada?
RESPUESTAS.
66)¿Cuánto y durante cuánto tiempo hay que calentar el hidrógeno para mantener una reacción de fusión?
Al calentar el hidrógeno a temperaturas cada vez más altas, pierde energía por radiación a una velocidad cada vez mayor, Si la temperatura sigue aumentando, los átomos de hidrógeno pierden sus electrones, dejando que los núcleos desnudos choquen unos contra otros y se fundan. Esta fusión produce energía, Si la temperatura sigue subiendo, la cantidad de energía producida por fusión es cada vez mayor.
La cantidad de energía producida por la fusión aumenta más deprisa con la temperatura que la pérdida de energía por radiación. Al alcanzar cierta temperatura crítica, la energía producida por la fusión llega a ser igual a la perdida por radiación. En ese momento la temperatura se estabiliza y la reacción de fusión se automantiene. Con tal de suministrar hidrógeno al sistema, éste producirá energía a un ritmo constante.
La temperatura requerida varía con el tipo de hidrógeno. El tipo más común es el hidrógeno (H) con un núcleo compuesto por un solo protón. Después está el hidrógeno pesado, o deuterio (D), con un núcleo compuesto por un protón y un neutrón, y el hidrógeno radiactivo, o tritio (T), con un núcleo de un protón y dos neutrones.
La cantidad de energía producida por fusión nuclear a una temperatura dada con D es mayor que con H y menor que con T.
Las fusiones con H producen tan poca energía que haría falta una temperatura de más de mil millones de grados para mantener la reacción en el laboratorio. Es cierto que lo que se funde en el centro del Sol, donde la temperatura alcanza sólo los 15.000.000 de grados, es H, pero a una temperatura tan baja sólo se funde una proporción diminuta del hidrógeno. Sin embargo, la cantidad de H que hay en el Sol es tan ingente que aun esa diminuta proporción basta para mantener la radiación solar.
La fusión que menos temperatura requiere para iniciarse es la de T: basta unos cuantos millones de grados. Desgraciadamente el tritio es inestable y apenas se da en la naturaleza. Habría que formarlo en el laboratorio casi por encargo, y aun así sería imposible mantener a base de tritio la cantidad de reacciones de fusión que necesita la Tierra.
La fusión del deuterio tiene una temperatura de ignición de 400.000.000º C. El deuterio es estable pero raro; sólo un átomo de cada 6.700 es de deuterio. Pero tampoco exageremos. En un litro de agua ordinaria hay suficiente deuterio para producir por fusión una energía equivalente a la combustión de 67 litros de gasolina.
Un modo de alcanzar la temperatura necesaria es mediante la adición de algo de tritio para que actúe de detonador. La fusión de deuterio con tritio puede iniciarse a los 45.000.000º C. Si se logra prender un poco de la mezcla, el resto se calentaría lo suficiente para que el deuterio pudiese arder él solo.
El tiempo que hay que mantener la temperatura depende de la densidad del hidrógeno. Cuantos más átomos por centímetro cúbico, tantas más colisiones y más rápida la ignición. Si hay 1015 átomos por centímetro cúbico (una diezmilésima del número de moléculas por centímetro cúbico del aire normal), la temperatura habría que mantenerla durante dos segundos.
Claro está que cuanto mayor es la densidad y más alta la temperatura, tanto más difícil es mantener el deuterio en su sitio, incluso durante ese tiempo tan breve. Los sistemas de fusión han ido avanzando poco a poco durante todos estos años, pero aún no se han conseguido las condiciones para la ignición. años, pero aún no se han conseguido las condiciones para la ignición.
67.- ¿Cómo funciona un microscopio electrónico?
Antes de contestar, planteemos la siguiente pregunta: ¿cómo determinamos el tamaño de un objeto?
Los rayos de luz que nos llegan desde los dos lados opuestos de un objeto forman un ángulo en la retina. Por el tamaño de ese ángulo determinamos el tamaño aparente del objeto.
Pero si esos rayos luminosos pasan por una lente convexa antes de incidir en el ojo, se doblan de tal manera que el ángulo formado en la retina se hace mayor. Por consiguiente, el objeto que vemos a través de la lente aparece agrandado, igual que cada una de sus partes. Lo que tenemos es una lupa.
Utilizando una combinación de varias lentes se puede aumentar un objeto miles de veces y ver claramente detalles que son demasiado pequeños para distinguirlos a simple vista. Lo que tenemos entonces es un "microscopio óptico", que trabaja con ondas luminosas. Con ayuda de él podemos ver objetos tan pequeños como una bacteria.
¿No podríamos apilar lente sobre lente y construir así un microscopio de tantos aumentos que nos permitiese ver objetos incluso menores que las bacterias, átomos por ejemplo?
Desgraciadamente, no. Ni siquiera utilizando lentes perfectas en perfecta combinación. La luz está compuesta de ondas de una cierta longitud (aprox. 1/20.000 de centímetro) y nuestra vista no podrá ver con claridad nada que sea más pequeño que eso. Las ondas luminosas son suficientemente grandes para "saltar" por encima de cualquier cosa menor que ellas.
Es cierto que hay formas de luz cuya longitud de onda es mucho más pequeña que la de la luz ordinaria. La de los rayos X es diez mil veces menor que la de la luz. Pero, por desgracia, los rayos X atraviesan directamente los objetos que tratamos de ver.
Más no hay que afligirse, porque también tenemos a los electrones. Los electrones son partículas, pero también pueden comportarse como ondas, Tienen una longitud de onda más o menos igual a la de los rayos X y no atraviesan los objetos que estamos tratando de ver.
Imaginemos que lanzamos un haz de luz sobre un objeto. El objeto absorbe la luz y proyecta una sombra, y entonces vemos el objeto por el contraste de la luz con la sombra. Si se proyecta un haz de electrones sobre un objeto, éste absorberá los electrones y proyectará una "sombra electrónica". Y como sería peligroso intentar poner los ojos delante de un haz de electrones, lo que hacemos es colocar una película fotográfica. La sombra electrónica nos mostrará la forma del objeto, e incluso sus detalles, si hay partes que absorben los electrones con más intensidad que otras.
Pero ¿y si el objeto es muy pequeño? Si estuviésemos manejando haces de luz, podríamos utilizar lentes para doblar dichos haces y aumentar el tamaño del objeto. Para doblar un haz de electrones no podemos utilizar lentes ordinarias, pero sí otra cosa. Los electrones portan una carga eléctrica, y esto significa que, dentro de un campo magnético, seguirán una trayectoria curva. Utilizando un campo magnético de intensidad y forma adecuadas podemos manejar un haz de electrones de la misma manera que podemos manejar uno de luz con ayuda de una lente corriente.
Lo que tenemos, en resumen, es un "microscopio electrónico", que utiliza haces de electrones exactamente igual que un "microscopio óptico" utiliza haces luminosos.
La diferencia es que los electrones tienen una longitud de onda muchísimo más corta que la luz ordinaria, de modo que el microscopio electrónico es capaz de mostrarnos objetos del tamaño de los virus, mientras que el óptico no. mostrarnos objetos del tamaño de los virus, mientras que el óptico no.
68.- ¿Qué es la entropía?
La energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando, dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.
El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial que en la desembocadura. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar. (Si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad.)
Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.
Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquélla.
El término "entropía" lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.
Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si se coloca un objeto caliente en contacto con otro frío, el calor fluye de manera que el primero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos quedan a la misma temperatura. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el del otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualan y la energía gravitatoria queda distribuida uniformemente.
Clausius afirmó por tanto que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O digámoslo así: que "la entropía aumenta con el tiempo".
El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de "termodinámica", que en griego significa "movimiento de calor".
Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina "primer principio de la termodinámica".
La idea sugerida por Clausius que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y se denomina "segundo princpio de la termodinámica".
La energía sólo puede ser convertida en trabajo cuando, dentro del sistema concreto que se esté utilizando, la concentración de energía no es uniforme. La energía tiende entonces a fluir desde el punto de mayor concentración al de menor concentración, hasta establecer la uniformidad. La obtención de trabajo a partir de energía consiste precisamente en aprovechar este flujo.
El agua de un río está más alta y tiene más energía gravitatoria en el manantial que en la desembocadura. Por eso fluye el agua río abajo hasta el mar. (Si no fuese por la lluvia, todas las aguas continentales fluirían montaña abajo hasta el mar y el nivel del océano subiría ligeramente. La energía gravitatoria total permanecería igual, pero estaría distribuida con mayor uniformidad.)
Una rueda hidráulica gira gracias al agua que corre ladera abajo: ese agua puede realizar un trabajo. El agua sobre una superficie horizontal no puede realizar trabajo, aunque esté sobre una meseta muy alta y posea una energía gravitatoria excepcional. El factor crucial es la diferencia en la concentración de energía y el flujo hacia la uniformidad.
Y lo mismo reza para cualquier clase de energía. En las máquinas de vapor hay un depósito de calor que convierte el agua en vapor, y otro depósito frío que vuelve a condensar el vapor en agua. El factor decisivo es esta diferencia de temperatura. Trabajando a un mismo y único nivel de temperatura no se puede extraer ningún trabajo, por muy alta que sea aquélla.
El término "entropía" lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar el grado de uniformidad con que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme, mayor la entropía. Cuando la energía está distribuida de manera perfectamente uniforme, la entropía es máxima para el sistema en cuestión.
Clausius observó que cualquier diferencia de energía dentro de un sistema tiende siempre a igualarse por sí sola. Si se coloca un objeto caliente en contacto con otro frío, el calor fluye de manera que el primero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos quedan a la misma temperatura. Si tenemos dos depósitos de agua comunicados entre sí y el nivel de uno de ellos es más alto que el del otro, la atracción gravitatoria hará que el primero baje y el segundo suba, hasta que ambos niveles se igualan y la energía gravitatoria queda distribuida uniformemente.
Clausius afirmó por tanto que en la naturaleza era regla general que las diferencias en las concentraciones de energía tendían a igualarse. O digámoslo así: que "la entropía aumenta con el tiempo".
El estudio del flujo de energía desde puntos de alta concentración a otros de baja concentración se llevó a cabo de modo especialmente complejo en relación con la energía térmica. Por eso, el estudio del flujo de energía y de los intercambios de energía y trabajo recibió el nombre de "termodinámica", que en griego significa "movimiento de calor".
Con anterioridad se había llegado ya a la conclusión que la energía no podía ser destruida ni creada. Esta regla es tan fundamental que se la denomina "primer principio de la termodinámica".
La idea sugerida por Clausius que la entropía aumenta con el tiempo es una regla general no menos básica, y se denomina "segundo principio de la termodinámica". termodinámica".
69.- ¿Está degradándose el universo?
Según el "segundo principio de la termodinámica", la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van desapareciendo. Cuando todas las diferencias en la concentración de energía se han igualado por completo, no se puede extraer más trabajo, ni pueden producirse cambios.
Pensemos en un reloj. Los relojes andan gracias a una concentración de energía en su resorte o en su batería. A medida que el resorte se destensa o la reacción química de la batería avanza, se establece un flujo de energía desde el punto de alta concentración al de baja concentración, y como resultado de este flujo anda el reloj. Cuando el resorte se ha destensado por completo o la batería ha finalizado su reacción química, el nivel de energía es uniforme en todo el reloj, no hay ya flujo de energía y la maquinaria se para. Podríamos decir que el reloj se ha "degradado". Por analogía decimos que el universo se "degradará" cuando toda la energía se haya igualado.
Claro está que podemos dar otra vez cuerda al reloj o comprar una batería nueva. Para dar cuerda al reloj utilizamos nuestra fuerza muscular, "degradándonos" nosotros mismos un poco. O si compramos un batería nueva, esa batería habrá que fabricarla, y para fabricarla es preciso que la industria del hombre se "degrade" un poco.
Comiendo podemos reponer la fuerza muscular gastada, pero los alimentos provienen en último término de las plantas, que utilizan la luz solar. La industria del hombre funciona principalmente a base de carbón y petróleo, que fueron formados por plantas, en épocas remotas, a partir de la energía solar. A medida que las cosas se degradan, podemos volver a "darles cuerda" utilizando algo que, por lo general, se remonta a la energía del Sol y al modo en que éste se está "degradando".
El Sol se compone en su mayor parte de hidrógeno, elemento que contiene mucha más energía por partícula que otros átomos más complicados, como el helio, el oxígeno y el hierro. Dentro del Sol se está produciendo constantemente una gradual uniformización de la concentración de energía a medida que el hidrógeno se convierte en átomos más complicados. (En las plantas de energía atómica de la Tierra ocurre otro tanto, a medida que los átomos de uranio se convierten en átomos menos complejos. Si algún día se llegan a construir plantas de fusión de hidrógeno, lo que estaríamos haciendo sería copiar en cierto modo lo que ocurre en el Sol.)
Por lo que hoy sabemos, llegará un momento en que las concentraciones de energía del Sol se igualarán, quedando sólo átomos de tamaño intermedio. Y lo mismo reza para todas las demás estrellas del universo y en general para todo lo que hay en él.
Si es cierto el segundo principio de la termodinámica, todas las concentraciones de energía en todos los lugares del universo se están igualando, y en ese sentido el universo se está degradando. La entropía alcanzará un máximo cuando toda la energía del universo esté perfectamente igualada; a partir de entonces no ocurrirá nada, porque aunque la energía seguirá allí, no habrá ya ningún flujo que haga que las cosas ocurran.
La situación parece deprimente (si es que el segundo principio es cierto en todo tipo de condiciones), pero tampoco hace falta alarmarse antes de tiempo. El proceso tardará billones de años en llegar a su fin, y el universo, tal como hoy existe, no sólo sobrevivirá a nuestro tiempo, sino con toda probabilidad a la humanidad e incluso a la Tierra. la humanidad e incluso a la Tierra.
70.- ¿Qué relación hay entre entropía y orden?
Imaginemos nueve personas ordenadas en un cuadrado: tres columnas de tres, separadas las filas y columnas uniformemente. A esta disposición podemos calificarla de ordenada, porque es simétrica, fácil de visualizar y fácil de describir.
Si los nueve dan al mismo tiempo un paso hacia adelante, permanecerán en formación y la disposición seguirá siendo ordenada. Y lo mismo ocurre si todos dan un paso hacia atrás, o un paso a la izquierda, o a la derecha.
Pero supongamos que a cada uno se le dice que tiene que dar un paso hacia adelante, hacia atrás, a la izquierda o a la derecha dejándole que elija la dirección. Puede ser que todos ellos, sin mutuo acuerdo, decidan dar un paso hacia adelante, y en ese caso se mantendrá el orden. Pero la probabilidad que uno de ellos dé un paso hacia adelante es sólo de 1 entre 4, puesto que es libre de moverse en cuatro direcciones La probabilidad que los nueve hombres decidan independientemente avanzar hacia adelante es de
1 entre 4 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4, ó 1 entre 262.144
Si todos ellos se mueven hacia la derecha, o hacia la izquierda, o hacia atrás, también seguirán en orden, de manera que la probabilidad total que no se rompa la formación es de 4 entre 262.144, ó 1 entre 65.536. Como se ve, el orden tiene una probabilidad diminuta, y sabemos que en el momento que demos libertad para moverse, bastará un solo paso para romper el cuadrado y disminuir la cantidad de orden. Incluso si, por casualidad, todos se mueven en bloque, es casi seguro que el siguiente paso romperá la formación.
Todo esto para el caso que sólo haya nueve hombres y cuatro direcciones de movimiento. En la mayoría de los procesos naturales intervienen billones y billones de átomos que se pueden mover en infinidad de direcciones. Si, por casualidad, la disposición de átomos estuviera en un principio sometida a alguna clase de orden, es casi seguro que cualquier movimiento aleatorio, cualquier cambio espontáneo, disminuiría ese orden, o por decirlo de otra manera, aumentaría el desorden.
De acuerdo con el segundo principio de la termodinámica, la entropía del universo está en constante aumento; es decir, la distribución de energía en el universo está constantemente igualándose. Puede demostrarse que cualquier proceso que iguala las concentraciones de energía aumenta también el desorden. Por consiguiente, esta tendencia a incrementar el desorden en el universo con los movimientos aleatorios libres de las partículas que lo componen no es sino otro aspecto del segundo principio, y la entropía cabe considerarla como una medida del desorden que existe en el universo.
Miradas las cosas de esta manera, es fácil ver la mano del segundo principio por doquier, porque los cambios naturales actúan claramente en la dirección del desorden; para restaurar el orden hace falta un esfuerzo especial, y su esfuerzo cae sobre nuestras espaldas. Los objetos se descolocan, las cosas se desordenan, los vestidos se ensucian... Y para tener las cosas a punto es preciso estar constantemente arreglando y limpiando el polvo y ordenando. Quizá sirva de consuelo pensar que todo esto es el resultado de una gran ley cósmica; pero, no sé por qué, a mí no me sirve. pero, no sé por qué, a mí no me sirve.
71.- ¿Qué relación hay entre la entropía y el tiempo?
Imaginemos una película del movimiento de la Tierra alrededor del Sol, tomada desde un lugar muy lejano del espacio y pasada a cámara rápida, de modo que la Tierra parezca recorrer velozmente su órbita. Supongamos que pasamos primero la película hacia adelante y luego marcha atrás. ¿Podremos distinguir entre ambos casos con sólo mirar el movimiento de la Tierra?
Habrá quien diga que la Tierra rodea al Sol en dirección contraria a las agujas del reloj cuando se mira desde encima del polo norte del Sol; y que si las revoluciones son en el sentido de las manillas del reloj, entonces es que la película se ha proyectado marcha atrás y por tanto el tiempo corre también marcha atrás.
Pero si miramos la Tierra desde encima del polo sur del Sol, la Tierra se mueve en la dirección de las manecillas del reloj. Y suponiendo que lo que vemos es ese sentido de rotación, ¿cómo sabremos si estamos encima del polo norte con el tiempo corriendo hacia atrás o encima del polo sur con el tiempo marchando hacia adelante?
No podemos. En procesos elementales en los que intervienen pocos objetos es imposible saber si el tiempo marcha hacia adelante o hacia atrás. Las leyes de la naturaleza se cumplen igual en ambos casos. Y lo mismo ocurre con las partículas subatómicas.
Un electrón curvándose en determinada dirección con el tiempo marchando hacia adelante podría ser igual de bien un positrón curvándose en la misma dirección pero con el tiempo marchando hacia atrás. Si sólo consideramos esa partícula, es imposible determinar cuál de las dos posibilidades es la correcta.
En aquellos procesos elementales en que no se puede decir si el tiempo marcha hacia atrás o hacia delante no hay cambio de entropía (o es tan pequeño que se puede ignorar). Pero en los procesos corrientes, en los que intervienen muchas partículas, la entropía siempre aumenta. Que es lo mismo que decir que el desorden siempre aumenta. Un saltador de trampolín cae en la piscina y el agua salpica hacia arriba; se cae un jarrón y se rompe; las hojas se caen de un árbol y quedan dispersas por el suelo.
Se puede demostrar que todas estas cosas, y en general todo cuanto ocurre normalmente en derredor nuestro, lleva consigo un aumento de entropía. Estamos acostumbrados a ver que la entropía aumenta y aceptamos ese aumento como señal que todo se desarrolla normalmente y que nos movemos hacia adelante en el tiempo. Si de pronto viésemos que la entropía disminuye, la única manera de explicarlo sería suponer que nos estábamos moviendo hacia atrás en el tiempo.
Imaginemos, por ejemplo, que estamos viendo una película sobre una serie de actividades cotidianas. De pronto vemos que las salpicaduras de agua se juntan y que el saltador asciende hasta el trampolín. O que los fragmentos de un jarrón suben por el aire y se reúnen encima de una mesa. O que las hojas convergen hacia el árbol y se adosan a él en lugares específicos. Todas estas cosas muestran una disminución de la entropía, y sabemos que esto está tan fuera del orden de las cosas, que la película no tiene más remedio que estar marchando al revés. En efecto, las cosas toman un giro tan extraño cuando el tiempo se invierte, que el verlo nos hace reír.
Por eso la entropía se denomina a veces "la flecha del tiempo", porque su constante aumento marca lo que nosotros consideramos el "avance" del tiempo. (Señalemos que si todos los átomos de los distintos objetos se movieran en la dirección adecuada, todas estas cosas invertidas podrían ocurrir; pero la probabilidad es tan pequeña, que podemos ignorarla tranquilamente.) probabilidad es tan pequeña, que podemos ignorarla tranquilamente.)
72.- Si el universo está constantemente degradándose, ¿cómo fue al principio?
La mejor respuesta a esta pregunta es que nadie lo sabe. Todos los cambios se producen en la dirección de la entropía creciente, del aumento del desorden, del aumento de la aleatoriedad, de la degradación. Pero hubo un tiempo en que el universo se hallaba en una posición desde la cual podía degradarse durante billones y billones de años. ¿Cómo llegó a esa posición?
Se me ocurren tres posibles respuestas, todas ellas meras especulaciones:
No conocemos todo lo que está pasando en el universo. Los cambios que efectivamente observamos ocurren todos ellos en la dirección de la entropía creciente. Pero en algún lugar puede que haya cambios, en condiciones poco usuales que aún no podemos estudiar, que se desarrollen en la dirección de la entropía decreciente. En ese caso puede ser que el universo permanezca estable en su totalidad. La parte que parece degradarse sería entonces sólo la pequeña porción que nosotros observamos, mientras que en otro lugar habría un movimiento contrario que lo compensaría.
Supongamos que el universo no experimente ninguna disminución de entropía en ningún lugar y que todo él se degrada. Al llegar al punto de máxima entropía, toda la energía queda esparcida uniformemente y el tiempo deja de avanzar, ya sea hacia atrás o hacia adelante. Pero toda la energía sigue estando ahí, y por tanto todos los átomos del universo poseen algo de esa energía y se mueven al azar.
En esas condiciones puede ser que por movimientos puramente aleatorios se concentre una cierta cantidad de energía en alguna parte del universo. Es decir, mediante movimientos al azar se produciría otra vez un poco de orden. Después, esa parte del universo comenzaría a degradarse de nuevo.
El máximo de entropía quizá sea la condición normal de un vasto universo infinito, y puede que muy de cuando en cuando (según las medidas normales del tiempo) ocurra que ciertas regiones limitadas adquieran cierto orden; hoy día estaríamos en una de esas regiones.
Es posible que la única razón que la entropía parezca aumentar continuamente en el universo sea que el universo se está expandiendo. Puede ser entonces que en estas condiciones, y sólo en ellas, las disposiciones desordenadas sean más probables que las ordenadas.
Hay astrónomos que piensan que el universo no seguirá dilatándose para siempre. La explosión inicial lo desintegró en pedazos, pero puede ser que la atracción gravitatoria mutua de sus partes esté disminuyendo poco a poco su velocidad de expansión, hasta que finalmente los haga detenerse y volver a contraerse de nuevo. Quizá en un universo en contracción las disposiciones más ordenadas sean más probables que las menos ordenadas. Lo cual significa que habría un cambio natural en la dirección de mayor orden y por tanto una disminución continua de la entropía.
De ser así, puede que el universo se degrade mientras se expande y vuelva a regenerarse mientras se contrae, repitiendo el mismo procedimiento por los siglos de los siglos.
Cabría aún combinar las especulaciones 1 y 3 si consideramos los "agujeros negros". Los agujeros negros son regiones en las que la masa está tan concentrada y la gravedad es tan poderosa, que todo cuanto cae dentro de ellas desaparece y no vuelve jamás: ni siquiera la luz. Son algo así como muestras diminutas de un universo en contracción; puede ser que en esos agujeros negros el segundo principio de la termodinámica se invierta y que, mientras el universo se degrada en la mayor parte de los lugares, se regenere poco a poco allí.
73.- Las ondas de radio y las ondas luminosas se utilizan para "ver" cosas en el espacio. ¿Hay otras clases de ondas con las que podamos "ver"?
Las ondas de radio están emparentadas con las ondas luminosas. La diferencia es sobre todo una cuestión de longitud: las primeras son mucho más largas que las segundas.
Existe toda una familia de ondas de diversa longitud, denominada espectro electromagnético. Este espectro se suele dividir en siete regiones que podemos clasificar, por orden descendente de longitud, de la siguiente manera:
ondas de radio
microondas
rayos infrarrojos
luz visible
rayos ultravioletas
rayos X
rayos gamma
La atmósfera terrestre sólo es relativamente transparente a la luz visible y a las microondas. Las demás partes del espectro electromagnético son enteramente absorbidas mucho antes de pasar el aire. Así pues, para observar los cielos desde la superficie de la Tierra sólo nos sirven la luz y las microondas.
La humanidad ha observado desde siempre los cielos porque no en balde el hombre siempre ha tenido ojos. Fue en 1931 cuando el ingeniero americano Karl Jarisky descubrió que lo que estaba detectando eran microondas emitidas por los cuerpos celestes. Y como las microondas se clasifican a veces como ondas de radio muy cortas, esta rama de la observación astronómica recibió el nombre de "radioastronomía".
Hay objetos que, aun siendo detectables por su emisión de microondas no emiten mucha luz. Es decir, hay fuentes de radio que son invisibles para la vista.
Pero en el momento en que se empieza a hacer observaciones desde fuera de la atmósfera tenemos el espectro electromagnético completo a nuestra disposición. Las observaciones desde cohetes han demostrado que los cuerpos celestes bombardean la tierra con toda clase de radiaciones. El estudio de éstas podría contribuir mucho al conocimiento del universo.
En el cielo hay regiones, por ejemplo, que emiten luz ultravioleta en grandes cantidades. La nebulosa de Orión es una fuente de ultravioletas, igual que las regiones que circundan a la estrella Spica, de primera magnitud. El origen de esas grandes cantidades de luz ultravioleta en dichas regiones no se conoce todavía.
Más misteriosa aún es la existencia de una serie de puntos en el cielo que, según se ha descubierto, son fuentes prolíficas de rayos X. Para que un objeto emita rayos X tiene que estar extraordinariamente caliente: un millón de grados o más. Ninguna estrella corriente tiene una superficie tan caliente. Pero existen estrellas de neutrones en las que la materia está tan densamente empaquetada, que toda la masa de un objeto del tamaño del Sol quedaría reducida a una pelota de unos 16 kilómetros de diámetro. Estos objetos y otros iguales de extraños pueden emitir rayos X.
Es probable que los astrónomos no puedan hacer un estudio completo de los distintos tipos de radiación que nos llegan desde el espacio hasta que no sean capaces de efectuar todas sus observaciones desde fuera de la atmósfera.
La Luna, que carece de atmósfera, sería un lugar ideal para un observatorio semejante. La posibilidad de construir esos observatorios y de potenciar así nuestro conocimiento es una de las razones más atractivas para intentar colonizar la Luna. colonizar la Luna.
74.- Al calentar una sustancia se pone primero roja, luego naranja, después amarilla, pero a continuación blanca. ¿Por qué no sigue el espectro y se pone verde?
Cualquier objeto, a cualquier energía superior al cero absoluto, radia ondas electromagnéticas. Si su temperatura es muy baja, emite sólo ondas de radio largas, muy pobres en energía. Al aumentar la temperatura, radia una cantidad mayor de ondas, pero también empieza a radiar ondas de radio más cortas (y más energéticas). Si la temperatura sigue subiendo, empiezan a radiarse microondas aún más energéticas y después radiaciones infrarrojas.
Esto no quiere decir que a una temperatura dada sólo se emitan ondas de radio largas, un poco más arriba sólo ondas de radio cortas, luego sólo microondas y después sólo infrarrojos. En realidad se emite toda la gama de radiaciones, pero siempre hay una radiación máxima, es decir una gama de longitudes de onda que son las más radiadas, flanqueadas por cantidades menores en el lado de las energías bajas y por cantidades todavía más pequeñas en el de las altas.
Cuando un objeto alcanza la temperatura del cuerpo humano (37º C) el máximo de radiación se encuentra en los infrarrojos largos. El cuerpo humano también radia ondas de radio, pero las longitudes de onda más cortas y más energéticas son siempre las más fáciles de detectar y por consiguiente las más notables.
Cuando la temperatura alcanza aproximadamente los 600º C, el máximo de radiación se halla en el infrarrojo corto. Pero a esas alturas la pequeña cantidad de radiación que se halla en el lado de las energías altas adquiere una importancia especial porque entra ya en la región de la luz visible roja. El objeto reluce entonces con un rojo intenso.
Este rojo constituye sólo un pequeño porcentaje de la radiación total, pero como da la casualidad que nuestro ojo lo percibe, le otorgamos toda nuestra atención y decimos que el objeto está al "rojo vivo".
Si la temperatura sigue subiendo, el máximo de radiación continúa desplazándose hacia las longitudes de onda cortas y cada vez se emite más luz visible de longitudes cada vez menores. Aunque el objeto radia más luz roja, se van agregando poco a poco luz anaranjada y luz amarilla en cantidades menores pero significativas. Al llegar a los 1.000º C la mezcla de colores la percibimos como naranja, y a los 2.000º C como amarilla. Lo cual no significa que a los 1.000º C sólo se radie luz naranja o que a los 2.000º C se radie sólo amarilla. Porque si fuese así, habría efectivamente que esperar que lo siguiente fuese "calor verde". Lo que en realidad vemos son mezclas de colores.
Al llegar a los 6.000º C (la temperatura superficial del Sol) el máximo de radiación está en el amarillo visible y lo que llega a nuestros ojos son grandes cantidades de luz visible, desde el violeta hasta el rojo. La incidencia simultánea de toda la gama de luz visible sobre nuestra retina nos da la sensación de blanco, y de ahí el color del Sol.
Los objetos más calientes aún que el Sol radian todas las longitudes de onda de la luz visible y en cantidades todavía mayores. Pero el máximo de radiación se desplaza al azul, de modo que la mezcla se desequilibra y el blanco adquiere un tinte azulado.
Todo esto reza para objetos calientes que emiten "espectros continuos", es decir, que radian luz en la forma de una ancha banda de longitudes de onda. Ciertas sustancias, en condiciones adecuadas, radian sólo luz de determinadas longitudes de onda. El nitrato de bario radia luz verde cuando se calienta, y con ese fin se lo utiliza en los fuegos de artificio. "Calor verde", si así lo queréis.
75.- ¿Qué es la luz polarizada?
Podemos imaginar a la luz como si estuviese compuesta por diminutas ondas que pueden oscilar en cualquier plano. En un haz de luz cualquiera puede haber ondas que oscilen de arriba a abajo, otras que oscilen de un lado al otro y otras que lo hagan en diversas direcciones diagonales. Las direcciones de oscilación pueden estar repartidas equitativamente, sin que haya planos privilegiados que contengan una cantidad más que proporcional de ondas luminosas. La luz corriente del Sol o de una bombilla es de este tipo.
Pero supongamos ahora que la luz atraviesa un cristal transparente. El cristal está compuesto de multitud de átomos o grupos de átomos alineados en filas y capas regulares. Las ondas luminosas pasarán fácilmente a través del cristal si da la casualidad que oscilan en un plano que les permite colarse entre dos capas de átomos. Pero si oscilan en un plano que forma un pequeño ángulo con el anterior, chocarán contra los átomos y gran parte de su energía se irá en hacerlos vibrar. En ese caso la luz sería parcial o totalmente absorbida.
(Para dar una idea de cómo funciona esto, imagine que se ata una cuerda a un árbol del jardín del vecino, sosteniendo el otro extremo en la mano. Supongamos además que la cuerda pasa entre dos palotes de una valla a mitad de camino. Si se agita la cuerda arriba y abajo, las ondas pasarán entre los dos palotes e irán a parar al árbol. La valla sería entonces "transparente" a dichas ondas. Pero si las ondas son de derecha a izquierda, chocarán contra los palotes y no pasarán.)
Hay cristales que separan la energía de las ondas luminosas en dos rayos distintos. El plano de oscilación ya no está distribuido uniformemente. En uno de los rayos, todas las ondas oscilan en un determinado plano, mientras que en el otro oscilan en un plano perpendicular al primero. Las oscilaciones diagonales quedan totalmente excluidas.
Cuando las ondas luminosas están obligadas a oscilar en un plano determinado, se dice que la luz está "polarizada linealmente" o simplemente "polarizada". La luz ordinaria, que oscila en cualquier dirección, es luz "no polarizada".
Pero ¿por qué "polarizada"? Cuando el fenómeno recibió su nombre, allá por el año 1808, el ingeniero francés E. L. Malus, que fue quien lo bautizó, tenía una teoría equivocada acerca de la naturaleza de la luz. Malus pensaba que la luz estaba compuesta por partículas con polos, como los de un imán, y que la luz que emergía de un cristal tenía todos sus polos dirigidos en una misma dirección. La teoría resultó ser falsa, pero el nombre estaba ya demasiado afincado para cambiarlo.
Los dos rayos de luz producidos por algunos cristales, cada cual con su propio plano de polarización, tienen propiedades algo diferentes. Por ejemplo, puede que se refracten con ángulos distintos al pasar por el cristal. Aprovechando esto se pueden fabricar cristales en los cuales el primer rayo se refleje y se pierda, y sea sólo el otro el que atraviese hasta el final.
En algunos cristales sólo pasa uno de los rayos; el otro es absorbido y convertido en calor. Los cristales polaroides (que llevan diminutos cristales de este tipo incrustados en plástico) absorben gran parte de la luz por este conducto, y más aún gracias a que están coloreados. De este modo reducen los reflejos.
Cuando la luz polarizada pasa a través de una solución que contiene ciertos tipos de moléculas asimétricas, el plano de oscilación gira. La dirección y magnitud de ese giro ha permitido a los químicos deducir muchas cosas acerca de la estructura real de las moléculas, y sobre todo de las orgánicas. De ahí la enorme importancia de la luz polarizada para la teoría química. enorme importancia de la luz polarizada para la teoría química.
76.- La luz ¿puede ejercer fuerza sobre la materia?
Un haz de luz contiene energía. Cuando choca contra un objeto opaco y es absorbido, esa energía tiene que ir a algún lado. La mayor parte se convierte en calor, es decir, las partículas que constituyen el objeto opaco se llevan la energía luminosa y empiezan a vibrar con más rapidez.
Pero el haz de luz ¿puede ejercer una fuerza directa sobre el objeto opaco? ¿Puede comunicar su movimiento al objeto que lo absorbe? El efecto de un cuerpo sólido en movimiento sobre cualquier cosa que se cruce en su camino, es de sobra conocido. Una bola, al chocar contra un juego de bolos, los manda a paseo. Ahora bien, la luz está compuesta por partículas de masa nula. ¿Puede, pese a ello, transferir su movimiento y ejercer una fuerza sobre la materia?
Allá por el año 1873, el físico escocés J. Clerk Maxwell estudió el problema desde el ángulo teórico y demostró que la luz, aun estando compuesta por ondas sin masa, tenía que ejercer una fuerza sobre la materia. Su magnitud dependería de la energía contenida en el haz de luz por unidad de longitud. Ahí está el quid. Supongamos que encendemos una linterna durante un segundo. La luz emitida durante ese segundo contiene bastante energía, pero en ese brevísimo lapso, la primera onda de luz emitida ha avanzado ya 299.793 kilómetros. Toda la luz emitida en un segundo por ese relámpago luminoso queda repartida a lo largo de un haz de esa longitud, de modo que la energía que toca cada metro, o incluso cada kilómetro, es realmente pequeña.
Por eso, en circunstancias normales no nos percatamos de ninguna fuerza ejercida por la luz sobre la materia.
Supongamos, sin embargo, que cogemos una barra ligera, le adosamos un disco plano a cada lado y la suspendemos horizontalmente, por el punto medio, con un fino hilo de cuarzo. La más mínima fuerza sobre uno de los discos hará que la barra gire alrededor del hilo. Si hacemos incidir un haz de luz sobre uno de los discos, la barra girará siempre que el haz ejerza una fuerza sobre él.
Naturalmente, esa diminuta fuerza quedaría anulada en el momento en que hubiese un ligerísimo viento soplando en contra, de manera que el sistema entero tiene que ir encerrado en una cámara. Por otro lado, el mismo choque de las moléculas de aire contra los discos crearía fuerzas mucho mayores que la de la luz, por lo cual habrá que hacer un alto vacío en la cámara. Una vez hecho todo esto y tomadas otra serie de precauciones, se puede medir ya el pequeñísimo desplazamiento de los discos cuando sobre ellos se hace incidir un intenso haz luminoso.
Los físicos americanos Ernest F. Nichols y Gordon F. Hull realizaron en 1901 tal experimento en la Universidad Dartmouth y demostraron que la luz ejercía efectivamente una fuerza, cuya magnitud era exactamente la predicha por Maxwell veintiocho años antes. Casi al mismo tiempo, el físico ruso Peter N. Lebedev demostró lo mismo utilizando un aparato algo más complicado.
Demostrada ya la existencia de esta "presión de radiación", los astrónomos vieron en ella la explicación de un interesante fenómeno relacionado con los cometas. La cola de un cometa apunta siempre en dirección contraria a la del Sol. Cuando el cometa se va acercando a éste, la cola ondea detrás, da la vuelta en el punto de máxima aproximación y se coloca delante del cometa al alejarse éste.
"Ajajá", pensaron los astrónomos. "¡La presión de radiación!"
Durante medio siglo no dudaron que era así, pero estaban equivocados. La presión de radiación de la luz solar no es lo bastante fuerte. Es el viento solar el que empuja la cola de los cometas en dirección contraria a la del Sol. solar el que empuja la cola de los cometas en dirección contraria a la del Sol.
Bueno, eso fue todo porque sino el post se hace demasiado largo y necesita menos de 55.000 carácteres.
Saludos y comenten, cualquier comentario que me ayude a mejorar es aceptado .