viernes, octubre 26, 2007

¿Cómo se forma la Aurora Boreal?



Los pueblos que presenciaban el fenómeno tenían sus propias interpretaciones y le daban, según las épocas, determinados significados. La Edad Media, pródiga en luchas y batallas, suministró varias pinturas de este tipo, en las que la interpretación giraba en torno a grandes batallas en el cielo, ejércitos en lucha y tropas a caballo. Miedo y terror, anuncios de grandes catástrofes, aparecían ligados en esas épocas a los fenómenos aurorales.

Los esquimales, los indios atabascos, los lapones, los habitantes de Groenlandia, e incluso las tribus del noreste de la India estaban familiarizados con esta luz misteriosa del cielo. Sus leyendas toman muchas formas y a menudo estaban asociadas con sus ideas de la vida en el otro mundo.

Cuenta una leyenda esquimal: "Los límites de la tierra y el mar son bordeados por un inmenso abismo, sobre él aparece un sendero estrecho y peligroso que conduce a las regiones celestiales. El cielo es una gran bóveda de material duro, arqueado sobre la tierra. Hay un agujero en él a través del que los espíritus pasan a los verdaderos cielos. Sólo los espíritus de aquellos que tienen una muerte voluntaria o violenta y el cuervo, han recorrido este sendero. Los espíritus que viven allí encienden antorchas para quitar los pasos de las nuevas llegadas. Esta es la luz de la aurora. Se pueden ver allí festejando y jugando a la pelota con un cráneo de morsa.

El sonido silbante y chasqueante que acompaña, a veces, a la aurora son las voces de esos espíritus intentando comunicarse con las gentes de la tierra. Se les debería contestar siempre con voz susurrante. A los espíritus celestiales se les llama "selaimut", "sky-wellers", moradores del cielo".

Historia

La aurora ha sido y es, para muchos, uno de esos fenómenos que, por su esplendor e infrecuencia, reviste un cierto carácter mítico y misterioso. Por ello no ha pasado desapercibido para los pensadores y hombres de la ciencia. Anaxágoras (500-428 a.C.) propuso una explicación a este fenómeno en términos de un vapor de fuego que se vertía desde las capas más altas de los cielos sobre las nubes; Anaxímenes (570-526 a.C.) atribuía el fenómeno a un gas que se almacenaba en las nubes y que se iba mezclando como en una caldera, dando lugar a un aumento de brillo; Aristóteles, Séneca y el historiador oficial romano Plinio tampoco pasaron por alto la aurora y trataron de explicar el fenómeno.

La realidad era que la aurora (Luces del Norte) aparecía en el cielo como persona non grata, sin respeto a las leyes mecánicas de la naturaleza de aquellas épocas. Los habitantes de las zonas en las que es más visible la aurora no han dejado de reflejar en sus símbolos y dibujos este fenómeno, bien fuesen los indios de Canadá, o los esquimales del norte.

La época de la Ilustración fue especialmente fructífera en la observación del fenómeno y en la elaboración de teorías cercanas a la actual, pero sólo a partir del descubrimiento del electromagnetismo y la espectroscopia en el siglo XIX, se pudo avanzar en la solución del problema del origen de estas luces misteriosas.

El desafío científico en nuestros días, era de la tecnología espacial, cobra nuevo carácter, no ya sólo desde el perfeccionamiento de la teoría electromagnética que explica el fenómeno en función del viento solar, sino desde el especial interés que el problema energético tiene en la actualidad y la posibilidad de estudiar al natural el comportamiento de la materia en forma de plasma (estado de la materia donde los átomos se ionizan y se crea el estado de plasma formado por cationes y electrones), aspecto íntimamente ligado con la consecución controlada de la energía de fusión. En el terreno de las comunicaciones, el fenómeno de la aurora ha producido ya sorprendentes sucesos como el ocurrido el 2 de septiembre de 1987, cuando durante dos horas fue posible enviar mensajes de Boston a Portland y viceversa sin fuente de energía auxiliar, sólo con la corriente eléctrica generada por la aurora. Pero también ha sido la causa de graves incidentes, como la interrupción de comunicaciones en aeronaves o la pérdida de control sobre algún cohete espacial.

El interés científico y tecnológico del fenómeno aurora, es por tanto, relevante. Sus aspectos históricos y legendarios son apasionantes y su estética es indescriptible.

Aurora.

Una aurora boreal comienza con un brillo fosforescente en el horizonte. Este brillo disminuye, pero vuelve a intensificarse. Es entonces cuando aparece un arco iluminado, que a veces se cierra en forma de círculo (corona boreal) muy brillante, con centro en el meridiano magnético; que se eleva en el cielo. A continuación, nuevos arcos iluminados aparecen y siguen al primero. Pequeñas ondas y rizos se mueven a todo lo largo de estos arcos.

En cuestión de unos pocos minutos, un cambio dramático se observa en el cielo. Un bombardeo de partículas golpea a la atmósfera superior, fenómeno que recibe el nombre de subtormenta auroral (en Inglés, auroral sub-storm.) Rayos de luz caen del espacio, formando cortinas que se expanden en el cielo, cuyos bordes superior e inferior están coloreados de violeta y rojo. Sus colores también pueden mezclarse, o entretejerse unos con otros.

Las cortinas desaparecen y vuelven a formarse a partir de nuevos rayos de luz. Un observador puede mirar directamente sobre su cabeza y observar entonces rayos dirigiéndose en todas direcciones, formando lo que se llama corona auroral.

Luego de 10 o 20 minutos, el bombardeo termina y la actividad decrece. Las bandas de luz dejan de propagarse y se desintegran en una luz difusa que se extiende por todo el cielo.

Las que se presentan en las inmediaciones del Círculo Polar Ártico se llaman auroras boreales, y las del Antártico, auroras australes. Las auroras son más frecuentes en primavera y en otoño.

Causas de la aurora.

La actividad solar produce partículas que son lanzadas al espacio, emite grandes cantidades de rayos X, ultravioletas y radiación visible, así como corrientes de protones y electrones de alta energía. La radiación X y ultravioleta puede llegar a la Tierra e incrementar la ionización de las capas más altas de la atmósfera terrestre, pero la mayoría de las partículas emitidas tienen velocidades bajas y llegan a la Tierra en horas, e incluso días, más tarde de la producción en forma de ráfagas de viento solar. Las manchas solares, cuyos máximos períodos de actividad se repiten cada once años, hacen que la cantidad de viento solar producido varíe su magnitud y su composición.

Los estudios realizados indican que el brillo auroral se desencadena cuando el viento solar, que recorre todo el Sistema Solar, se ve reforzado por partículas subátomicas de alta energía procedentes de las manchas solares. Los electrones y protones penetran en la magnetosfera terrestre (región del espacio donde queda confinado el campo magnético terrestre y que actúa como escudo protector ante buena parte de las partículas cargadas de la radiación cósmica. Su límite exterior recibe el nombre de magnetopausa.) y entran en la zona inferior de los cinturones de radiación de Van Allen, sobrecargándolos. Esas partículas, protones y electrones colisionan con las moléculas de gas de la atmósfera, excitándolas y produciendo luminiscencia.

Vamos a ver que es un cinturón de Van Allen

Los cinturones de radiación de Van Allen son áreas de la alta atmósfera que rodean la Tierra (y análogamente otros planetas como Júpiter y Saturno) por encima de la ionosfera, a una altura de 3.000 y de 22.000 km. respectivamente. Se sitúan sobre la zona ecuatorial y la más externa se prolongan prácticamente hasta la magnetopausa, límite entre el espacio terrestre y el espacio interplanetario. Su delimitación no está aún completamente confirmada, ya que la actividad solar y el magnetismo generan oscilaciones en sus límites, que actualmente se denominan zonas de radiación.

El origen se debe a un fenómeno que se produce cuando las partículas atómicas (en su mayor parte protones y electrones) emitidas desde la corona solar, o viento solar son arrastradas con un trayecto helicoidal alrededor de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre, entre los polos norte y sur. La mayor parte de las partículas de alta energía (protones) se encuentran en el cinturón interior, mientras que los electrones suelen concentrarse en el externo.

La intensidad de radiación presente en los cinturones de Van Allen produce un elevado deterioro de los circuitos electrónicos y paneles solares de las naves espaciales, mientras que el efecto de una exposición sobre los seres vivos resulta extremadamente dañino. Por esta, razón las misiones espaciales requieren tanto de una protección eficaz ante el poder penetrativo que representa el bombardeo de partículas subatómicas, como de una perfecta planificación en la que se reduce al mínimo la exposición de los astronautas frente a dichas radiaciones.

La aurora adopta una inmensa variedad de formas: el arco auroral, un arco luminoso que cruza el meridiano magnético; la banda auroral, que suele ser más ancha y mucho más irregular que el arco; los filamentos y luces ondulantes perpendiculares al arco o a la banda; la corona, un círculo luminoso cercano al cenit; las nubes aurorales, masas nebulosas difusas que pueden aparecer en cualquier parte del cielo; el brillo auroral, un fenómeno luminoso situado a gran altura sobre el horizonte, con filamentos que convergen hacia el cenit; cortinas, abanicos, llamas o luces ondulantes de distintas formas.

También se han observado auroras en las atmósferas de otros planetas, en particular de Júpiter.

Hay una zona circular sobre la región polar en la que los electrones procedentes del Sol inciden uniformemente y al alcanzar los gases atmosféricos se produce una emisión espectral que da lugar al fenómeno luminoso de la aurora a alturas comprendidas entre los cien y cuatrocientos kilómetros. Esta zona donde se forman las auroras se llama óvalo auroral.

La emisión de luz corresponde al espectro del oxígeno en su color verdoso (5.577 Å) y al del nitrógeno en su color violeta (3.914 Å). Pero en las capas altas de la atmósfera, y en determinadas condiciones, existe oxígeno atómico que produce una emisión de luz roja (6.300 Å) que, a su vez, produce ese gran enrojecimiento del cielo que aparece sobre todo en las auroras más ecuatoriales (como puede verse más adelante en la aurora vista desde Figueres) cuando, por efecto de las tormentas magnéticas, se produce un desplazamiento hacia el sur del óvalo auroral. En estos casos se piensa que el plasma es expulsado del Sol a velocidades de 500-1.000 km/s, frente a los 300 km/s con que sale normalmente. Debido a ello, se ha sugerido que los electrones alcanzan en la ionosfera temperaturas de 20.000 K durante las tormentas magnéticas, lo que suministra la energía suficiente para la excitación del oxígeno atómico y la emisión de la banda roja a 6.300 Å, lo que requiere una energía de 2 eV.

Al igual que el viento solar es variable, las formas, frecuencias e intensidades de la aurora también lo serán en un período del once años.

La consideración física más aceptada para comprender el fenómeno de la aurora está referida a la creación de una dinamo magnetosférica entre el Sol y la Tierra, teniendo en cuenta que ésta junto, con su campo magnético, está sumergida en una cavidad por donde circula una corriente de plasma que mana del Sol. El proceso que se produce es el de una gran dinamo, cuya potencia (P = F x V) puede estimarse en 1012 watios, siendo F la fuerza de Lorentz (

) y V la velocidad de la luz( 300.000 km/s). El voltaje generado se estima en 50 kV (Kilovoltios) y la intensidad de corriente del orden de 106-107 Amperios.

Desde 1970, satélites de órbita polar han podido observar con mayor exactitud aún la estructura de las auroras así como la precipitación de partículas energéticas en zona auroral; se ha logrado levar a cabo auroras artificiales mediante la inyección de electrones desde cohetes (experimentos Araks).








Para saber mas

martes, octubre 16, 2007

¿Qué es la Teoría de Cuerdas?

Preliminares

Durante el siglo XX, la Física ha proporcionado una visión extremadamente precisa de los componentes fudamentales de la materia (las partículas elementales) y las leyes que regulan su comportamiento (las interacciones fundamentales). Es decir, ha proporcionado una explicación a la pregunta `¿de qué están hechas las cosas?´.

Hoy sabemos que la materia está hecha de átomos, que a su vez se componen de un núcleo y una nube de electrones que lo orbitan. El núcleo está a su vez compuesto de protones y neutrones, que a su vez están compuestos de quarks. Tanto los electrones como los quarks se comportan, con la precisión experimental actual, como partículas puntuales, sin estructura.

Toda la materia del Universo está por tanto compuesta de quarks y leptones (los electrones son un tipo especifico de las partículas llamadas leptones). Asimismo, las fuerzas en la Naturaleza se pueden entender en términos de cuatro fuerzas fundamentales: la gravitacional, la electromagnética (que unifica la electricidad y el magnetismo), la interacción fuerte (que liga los quarks para formar protones y neutrones, y a los protones y neutrones para formar núcleos) y la interacción débil (que es capaz de transformar unas partículas en otras, y que subyace a los fenómenos radiactivos).

En el marco de la Mecánica Cuántica, estas interacciones se interpretan a su vez como intercambios de determinadas partículas, los cuantos del campo de interacción. Estos cuantos son el fotón para la interacción electromagnética, los bosones W/Z para la interacción débil ylos gluones para las interacciones fuertes.

La interacción gravitacional, una vez emmarcada dentro de la Mecánica Cuántica tendría su correspondiente partícula portadora, el gravitón.

Esta descripción de la Naturaleza y su comportamiento al nivel más fundamental subyace a la explicación de los fenómenos cotidianos (como la caída de los cuerpos, las órbitas planetarias, las corrientes elécticas, etc), pero permanece válida a energías mucho más altas, como a las altísimas temperaturas del Universo primitivo, o las que se alcanzan en los experimentos actuales de colisiones de partículas.

No obstante, esta descripción esta minada desde sus cimientos, ya que se basa en dos pilares de la Física Teórica que son, en su forma presente, mutuamente incompatibles. La descripción de las interacciones electromagnéticas, fuerte y débil, denominada Modelo Estándar (de Partículas Elementales) se enmarca dentro de la Teoría Cuántica de Campos, una forma avanzada de la Mecánica Cuántica. Sin embargo, la descripción de la interacción gravitacional se basa en la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que es una teoría clásica, y por tanto no incluye efectos cuánticos.

La inclusión de efectos cuánticos en la interacción gravitacional siguiendo procedimientos habituales conlleva respuestas patológicas a muy altas energías, del orden de la escala de Planck (presentes en el Universo primordial a los 10-44 segundos, o equivalentemente 1017 veces más altas que las energías accesibles en aceleradores de partículas). Para información más extensa sobre el problema de la Gravitación y la Mecánica Cuántica, ver el artículo La gravedad y los cuantos, por el Prof. Enrique Alvarez (IFT, Madrid).

A pesar de que el problema se plantea en un regimen actualmente no accesible al experimento, éste continúa siendo uno de los problemas fundamentales de la Física Teórica: la formulación de una teoría que describa la interacción gravitacional de forma consistente a nivel cuántico, y que por tanto permita reconciliar la Relatividad General con la Mecánica Cuántica (y por ende la interacción gravitacional con las restantes interacciones fundamentales).

Se puede encontrar una discusión de los problemad de unificación de las interacciones, y el papel de la teoría de cuerdas en este aspecto, en el artículoLa teoría de cuerdas, por el Prof. Sunil Mukhi (Tata Institute, India).

La Teoría de Cuerdas

La propuesta natural para lograr esta descripción unificada es la modificación del comportamiento de las partículas a energías muy altas, de modo que se corrija el comportamiento patológico de la gravedad a energías del orden de la escala de Plank. Las modificaciones serían muy pequeñas en las situaciones más familiares, pero entrarían de forma esencial en la explicación del comportamiento de la Naturaleza en sistema de gravedad muy intensa, donde la curvatura del espacio-tiempo es muy alta (radios de curvatura del orden de la longitud de Planck, es decir 10-35 m), como en los agujeros negros, o en el principio del Universo.

La teoría de cuerdas (o supercuerdas) propone precisamente una modificación de este tipo. Concretamente parte de la hipótesis de que las partículas elementales no son puntuales, sino objetos extensos en una dimensión (realmente cuerdas). El tamaño de estas cuerdas es muy pequeño, mucho menor que las menores escalas de longitud medidas experimentalmente (10-17 m). Aunque normalmente se supone que este tamaño es del orden de la longitud de Planck (10-35 cm), en algunos modelos este tamaño podría ser mayor (del orden de 10-18 cm). A energías muy bajas, no existe suficiente resolución para observar el tamaño de las cuerdas, y su comportamiento se reduce al de partículas puntuales. Sin embargo, a energías muy altas, la naturaleza extensa de las cuerdas comienza a manifestarse y modifica el comportamiento de las partículas de modo que sus interacciones gravitacionales, calculadas en la teoría, no presentan ningún comportamiento patológico.

Una introducción en español a la teoría de cuerdas y otros campos relacionados, se puede encontrar en el capítulo De la teoría de cuerdas del libro virtual A horcajadas en el tiempo, por Patricio T. Díaz Pazos (ver también Supercuerdas).

Algunas introducciones generales a teoría de cuerdas (en inglés) se pueden encontrar en

The Elegant Universe
Superstrings, por John M. Pierre.
String Theory, por Robbert Dijkgraaf.
The Official String Theory web site
Beyond String Theory
The Second Superstring Revolution, por John Schwarz.
Allegro (Ma Non Troppo), Passage for Strings in Warped Passages, por Lisa Randall.

La teoría de cuerdas tiene profundas implicaciones en nuestra visión de la Naturaleza.

En la teoría de cuerdas, las diferentes partículas son simplemente diferentes modos de vibración de un único tipo de cuerda. Es más, determinados modos de vibración corresponden a las partículas portadoras de las interacciones fundamentales. Por tanto, implica una unificación definitiva, donde todas las partículas e interacciones reciben una explicación en términos de un solo tipo de objeto.

La búsqueda de los constituyentes últimos de la materia artículo del Prof. Luis Ibáñez (IFT, Madrid), en la revista de la Real Sociedad Española de Física.
Unificación y dualidad en teoría de cuerdas artículo del Prof. Luis Ibáñez (IFT, Madrid), en la revista Investigación y Ciencia .

¿Qué es la teoría de cuerdas? por el Prof. Alberto Guijosa (UNAM, México).
La consistencia matemática de la teoría implica que nuestro Universo posee dimensiones espaciales adicionales, curvadas sobre sí mismas y de un tamaño que las hace inobservables a las energías actuales, pero que influyen en el comportamiento de las partículas a energías muy altas (potencialmente accesibles en futuros experimentos, y ciertamente experimentadas en el Universo primitivo).

¿Qué son las dimensiones extra?, artículo del Prof. Miguel Angel Sanchís Lozano (U. Valencia).
La descripción de sistemas gravitacionales en teoría de cuerdas incorpora de forma natural el concepto de holografía. Esta idea, propuesta por 'tHooft y Susskind en el conexto de agujeros negros, consiste en que los grados de libertad de una teoría gravitacional pueden codificarse en una hipersuperficie de una dimension menos (tal como un holograma bidimensional codifica una imagen tridimensional). La correspondencia AdS/CFT en teoría de cuerdas permite una descripcion cuantitativa de fenómenos gravitacionales, tales como la microfísica de agujeros negros, en términos de una teoría holográfica dual, descrita como una teoría cuántica de campos.
Una introducción a holografía, la correspondencia AdS/CFT y sus implicaciones se puede encontrar en la charla de Juan Maldacena (IAS, Princeton) Agujeros negros, Cuerdas y Gravedad Cuántica.

Más allá de Einstein: holografía, artículo del Prof. César Gómez, miembro del IFT, en la revista de la Real Sociedad Española de Física.

Holografía, artículo en la página BK2.

El principio holográfico y la teoría M, traducción de la página para público general de DAMTP.
Inversamente, la correspondencia AdS/CFT se puede aplicar a comprender fenómenos complicados en teorías de campos en acoplamiento fuerte (como la hidrodinámica del plasma de quarks y gluones) utilizando la descripción gravitacional dual, en la aproximación clásica.

Agujeros negros, ¿el fluido de baja viscosidad más perfecto?

El Universo líquido insinúa las cuerdas, artículo en Física en acción.
Desde un punto de vista más abstracto, el espacio y el tiempo clásicos son conceptos derivados en teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas propone en varios límites, versiones drásticamente modificadas del espaciotiempo de Einstein. Por ejemplo, en determinadas situaciones la geometría en teoría de cuerdas se modifica de forma que las coordenadas espaciotemporales no conmutan entre sí.

Geometría no conmutativa y espaciotiempo cuántico, artículo del Prof. José L. Fernández Barbón, miembro del IFT, en la revista Investigación y Ciencia.
A pesar de todos los progresos en el campo, la teoría de cuerdas es en ciertos aspectos una teoría aún en construcción, cuya forma última se enmarca en la denominada (y todavía misteriosa) teoría M. Esta teoría, cuya estructura es tratable en situaciones particularmente sencillas, incluiría efectos de acoplamiento fuerte en la teoría de cuerdas, y trataría en pie de igualdad las cuedas denominadas fundamentales y otros objetos no perturbativos (las p-branas) presentes en la teoría.

Para más información sobre teoría de cuerdas y la teoría M, se pueden consultar
¿Que es la teoría M?, por la Prof. Carmen Núñez (IAFE, Argentina).
Magia y misterio en la unificación de la Física, por el Prof. Hugo García-Compeán (CINVESTAV, México).

La teoría de cuerdas permanece como uno de los campos más activos en Física Teórica. La conferencia anual Strings reune cada año del orden de 500 investigadores en el campo para compartir sus ideas y discutir los avances de la teoría. Para conocer mejor los puntos de vista de algunos investigadores del campo, se pueden consultar por ejemplo las siguientes entrevistas (en español):

Ed Witten (IAS, Princeton)
Barton Zwiebach (MIT, Boston)
Brian Greene (U. Columbia) y Robert Dijkgraaf (U. Amsterdam)
Marcos Mariño (CERN, Ginebra)