TARDÍGRADOS

Ciencia en español

Posts Tagged ‘momento’

¿Es posible superar la velocidad de la luz en el vacío? Diferencias entre electrón, muón y tau leptón

Posted by Albert Zotkin en agosto 14, 2015

limite maximo

Hola amigos de Tardígrados. Hoy vamos a intentar viajar a una velocidad superior a la de la luz en el vacío. Es decir, subiremos a nuestro cohete a reacción e intentaremos acelerar hasta una velocidad superior a c = 299.792.458 km/s. ¿Lo conseguiremos?. Sí. Pero las consecuencias no serán tan bonitas como pensamos.

Según la Teoría de la Relatividad Especial, para acelerar un cohete hasta la velocidad de la luz en el vacío haría falta una cantidad infinita de energía, es decir, sería imposible, porque en el universo no hay disponible para nosotros una cantidad infinita de energía. Pero claro, eso es lo que predice esa teoría. Yo podría proponer otra teoría más “bonita” desde la cual sí sería posible superar ese límite máximo, aunque con algo que sería inesperado y decepcionante para los amantes de los viajes interestelares.

La teoría que propongo dice que al superar la velocidad de la luz en el vacío se produce una conjugación de la paridad, es decir, la partícula superlumínica sería vista viajando en dirección opuesta con una velocidad sublumínica. Así nuestro cohete al igualar la velocidad de la luz sería visto como estacionario (parado) en cierto punto, y al superar dicha velocidad sería visto viajando en dirección opuesta. Sería algo muy parecido a su imagen especular. De esta forma tan rocambolesca, podemos superar la velocidad de la luz cuantas veces queramos, porque dicha velocidad no sería algo absoluto sino algo cíclico. Estas consideraciones ya las apunté en un antiguo post titulado ¿Es cierto que la velocidad de la luz en el vacío es la máxima velocidad que una partícula puede alcanzar?. Efectivamente, todo esto tiene que ver con el fenómeno de la interferencia de ondas. Y parafraseando un conocido eslogan de una famosa franquicia de pizzas, podemos afirmar que “el secreto está en la masa“.

Así un electron y un muón, ambos vistos en reposo, poseen distintas masas. ¿Qué ocurre?. Pues muy fácil, un muón es un electrón que ha superado un ciclo de la velocidad de la luz. ¿Y un tau leptón?. Un tau leptón sería un electrón que ha superado dos ciclos, es decir, que se mueve inercialmente a dos ciclos de la velocidad de la luz.

Todo esto lo podemos expresar matemáticamente de la siguiente forma. Veremos cómo, cuando el número de ciclos es impar, la dirección del movimiento inercial es inversa a la inicial. Usemos una ecuación de movimiento armónico simple

\displaystyle   \cfrac{v}{c} = \sin \left (\frac{2\pi w}{c}\right)\,
la β = w/c indicará el número de ciclos, y w puede ser un valor mayor que c. En cambio, v sólo puede estar en el intervalo [-c, c].

sin

Si aplicamos la fórmula de Euler

\displaystyle   e^{ix}=\cos x+i\sin x

vemos que podemos expresar:

\displaystyle   x=  \frac{2\pi w}{c}\\  \\  \\  \cos x = \mathrm{Re}\{e^{ix}\} =\cfrac{e^{ix} + e^{-ix}}{2} \\  \\  \\   \sin x = \mathrm{Im}\{e^{ix}\} =-\cfrac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i}
Estas ecuaciones nos sugieren que la energía total de una partícula de masa m que se desplaza a una velocidad w debe ser:

\displaystyle  E = mc^2 \cosh\left(\frac{2\pi w}{c}\right)

y su momento lineal:

\displaystyle  p = mc \sinh\left(\frac{2\pi w}{c}\right)

y si afirmamos que un muón en reposo equivale a un electrón con una velocidad igual a c, tendremos que la energía en reposo del muón debe coincidir con la energía total del electrón que se mueve a esa c:

\displaystyle   m_ec^2 \cosh\left(\frac{2\pi c}{c}\right) = m_{\mu}c^2 \\ \\ \\   \cfrac{m_{\mu}}{m_e} =\cosh 2\pi \approx 267,7

es decir, la masa del muón sería casi 268 veces la masa del electrón

Todo esto es muy bonito, pero volvamos al concepto de “conjugación de la paridad”. Es evidente que si la partícula es vista viajando en dirección opuesta cuando ha superado la velocidad de la luz, entonces algo no cuadra. Lo correcto sería ver cómo a medida que la partícula acelera, la velocidad aparente debe pasar por un máximo y llegar hasta un mínimo. Y esto implica que c debe ser ese máximo. Es decir, en w = 2c la partícula sería vista estacionaria, en w = 3c sería vista viajando en dirección contraria a la máxima velocidad c, y en w = 4c volvería a estar estacionaria completando un ciclo. Por lo que la ecuación armónica debería ser esta:

\displaystyle   \cfrac{v}{c} = \sin \left (\frac{\pi w}{2c}\right)\,
Y esto significa que si hemos empleado un campo eléctrico para acelerar la partícula (la cual está cargada eléctricamente) entonces, además de una conjugación de la paridad, observaríamos una conjugación de carga. Efectivamente, cuando con el mismo campo eléctrico vemos que la partícula, en lugar de avanzar, retrocede (dirección contraria), entonces estamos ante una conjugación de carga eléctrica (la partícula se comportaría como si hubiera invertido su carga eléctrica). Según esta extraña teoría que estoy perfilando, una partícula poseería una carga eléctrica oscilante, y el signo de esa carga (positiva, negativa o neutra) dependería de cuantos ciclos-luz contiene su masa y de su actual energía cinética.

Así, puesto que la ratio entre la masa de un muón y la de un electrón es:

\displaystyle   \cfrac{m_{\mu}}{m_e}  \approx 206.768

el número de ciclos-luz de un muón sería de:

\displaystyle  \cosh \left(2 \pi x \right) = 206.768  \\ \\   x = \frac{1}{2\pi} \text{arccosh}\left(206.768\right) = 0.958867

Igualmente, el número de ciclos-luz para un tau leptón sería:

\displaystyle   \cfrac{m_{\tau}}{m_e}  \approx 3477.15  \\ \\  \\   \cosh \left(2 \pi x \right) = 3477.15  \\ \\   x = \frac{1}{2\pi} \text{arccosh}\left(3477.15\right) = 1.40806

Saludos

Anuncios

Posted in Física de partículas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

¿Por qué existen sólo tres generaciones de leptones y quarks?

Posted by Albert Zotkin en agosto 7, 2015

Hola amigos de Tardígrados. Hoy voy a divagar sobre una cuestión aún no resuelta en física de partículas. Los experimentos (observación) nos dicen que sólo existen tres generaciones de quarks y leptones. ¿Por qué sólo tres?. Los quarks de la primera generación son el u (up) y el d (down), y el electrón (e), junto con el neutrino νe (electrón-neutrino) son los leptones de esta primera generación. Los quarks de la segunda generación son el c (charm) y el s (strange), mientras que los leptones de esta generación son el μ y su correspondiente neutrino νμ (muón-neutrino). Y por último, tenemos los quarks de la tercera generación el t (top) y b (bottom), y los leptones τ (tau-leptón) y su correspondiente neutrino ντ. Las masas de las partículas en una generación son siempre mayores que las correspondientes a las de la generación anterior. ¿Por qué ocurre eso?. No se sabe.

Eelementary particles

Esta jerarquía de las masas provoca que las partículas de generaciones más altas decaigan hacia partículas de generaciones más bajas, y esto explica por qué en el mundo ordinario que observamos, la materia esté configurada, en su mayor parte, por partículas de la primera generación. La segunda y tercera generación sólo son observadas excepcionalmente a altas energías (en ambientes con rayos cósmicos, o en colisionadores de partículas). Además, una cuarta generación parece estar descartada definitivamente con una probabilidad del 99.99999% (5.3 sigma). Por lo tanto, el descubrimiento de esa cuarta generación sería un acontecimiento tan fantástico y excepcional que necesitaría muchas y minuciosas comprobaciones teóricas y experimentales antes de darlo definitivamente por sentado. Quizás la naturaleza permita la existencia de quarks y leptones de cuarta o superiores generaciones, pero a tan alta energía y en tan cortos intervalos de tiempo que la tecnología actual nos impide su observación.

Hasta aquí todo lo dicho es información estándar (aunque escasa) de lo que hay sobre el tema. Lo que sigue son divagaciones mias a cerca de cual puede ser la causa de que sólo sea posible observar hasta tres generaciones.

La culpa de todo esto la tiene Don Albertito Einstein Koch, con sus celebérrimas teorías de la relatividad, o más exactamente, para ser algo más justo, la culpa la tienen quienes, a principio del siglo pasado, permitieron que la relatividad Einsteniana se instalara en el corazón de la física teórica, impregnándolo todo de absurdas correcciones relativistas, y fijando para siempre la invarianza de Lorentz como uno de los principios más inamovibles y sólidos de la física. Y es que la relatividad Einsteniana lo reescala todo. Por supuesto, lo primero que re-escala es la energía, por medio de sus formulitas y procedimientos. ¿Por qué re-escala la relatividad especial?. La respuesta es simplemente porque sus postulados son falsos, y para adecuarlo todo a lo observado, a la realidad misma de los fenómenos naturales, necesita usar una serie de ecuaciones y formalismos que lo distorsione todo de tal forma que al final la predicción teórica coincida con gran eficiencia con la realidad observada. Por ejemplo, cuando un postulado dice que la velocidad de la luz es una invariante en todo sistema inercial y que que no puede ser superada por ningún cuerpo con masa, la forma de conciliar esa falsedad con la realidad física es mediante una serie de fórmulas matemáticas que distorsionen el espacio y el tiempo en tal medida que al final obtengamos una predicción teórica indistinguible experimentalmente de la observación. Es decir, para que la relatividad Einsteniana sea verdadera para siempre, la ciencia física necesita crear un dogma, partiendo de unos modelos matemáticos, elevan su esencia de simples modelos para convertirlos en leyes naturales por decreto. Por eso hay mucho científico que cree a pies juntillas que la relatividad Einsteiniana (las dos teorías, la especial y la general) no son modelos inventados por el hombre para describir fenómenos naturales, sino que creen (con una fe religiosa) que son descubrimientos, leyes naturales descubiertas por Don Albertito Einstein Koch. Esa es la razón de que mucha gente se pregunte la absurda pregunta de por qué las leyes naturales están escritas con matemáticas. Cuando niegas que algo sea un invento y lo identificas con un descubrimiento luego pasa lo que pasa, que alucinas creyendo que la naturaleza usa las matemáticas para insuflar en el mundo su evolución conforme a esas ecuaciones “naturales”.

Es más que evidente que las leyes naturales no están escritas con matemáticas, sino que son estas matemáticas el instrumento usado por el científico para crear modelos que se aproximen a las leyes naturales. Cuando alguien cree que una ley natural se expresa mediante unas ecuaciones matemáticas está cometiendo un grave error de apreciación, el cual le puede llevar a callejones sin salida, o, en el peor de los casos, a desastres teoréticos que pongan en peligro el avance científico. ¿Por qué?. Muy sencillo, si alguien cree que una ley natural es matemáticas, entonces analizando exhaustivamente estas fórmulas matemáticas podría descubrir aspectos de esa ley natural que en principio no eran tan evidentes. Es decir, mediante la transformación matemáticas de esas ecuaciones, el científico podría afirmar que existen predicciones que deben de cumplirse si se realizan adecuadamente cierta clase de experimentos. Pero, como digo, una ley natural, nunca es una ecuación matemática, por lo tanto, las predicciones que se puedan extraer de una serie de ecuaciones nunca deben coincidir necesariamente con los efectos que emanan de la ley natural que dichas ecuaciones tratan de modelar. Esto es muy importante tenerlo en cuenta si no quieres ser tontamente engañado por el uso incorrecto del método científico.

Saludos

Posted in Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Meditaciones a cerca del efecto Doppler de las ondas de materia

Posted by Albert Zotkin en julio 26, 2015

Algo misterioso ocurre con las partículas con masa. Un electrón puede ser considerado como una partícula o como una onda, y eso depende de cómo dispongamos nuestros aparatos de medida en el experimento. El problema es que esa onda de materia parece estar deslocalizada respecto a la hipotética fuente que la genera. Según la hipótesis de De Broglie, las partículas poseen también una longitud de onda:

\displaystyle    \lambda = \cfrac{h}{mv}
donde h es la constante de Planck, m la masa de la partícula y v el módulo del vector velocidad. Por lo tanto, según esa ecuación, la longitud de onda de la partícula aumenta cuando disminuye la velocidad (el módulo del vector velocidad)., y disminuye cuando aumenta la velocidad. Pero lo mismo da que la partícula se aleje o se acerque al observador, esas variaciones de longitud de onda se dan siempre considerando el módulo del vector velocidad. Por lo tanto, vemos que para un posible efecto Doppler, esa ecuación nos dice poco, pues estamos acostumbrados a que las ondas de sonido o de la luz alarguen su longitud cuando la fuente que las genera se aleja de nosotros o acorte dicha longitud de onda cuando esa fuente se acerca. Pero, en las ondas de materia parece ser que esa variación sólo ocurre con la variación del módulo del vector velocidad, independientemente de que la partícula se aleje o se acerque al observador.

El experimento de Young (también llamado de la doble rendija) nos deja estupefactos cuando comprobamos una y otra vez que las partículas subatómicas (electrones, protones, neutrones, etc) se comportan como ondas cuando queremos conocer demasiado sobre sus trayectorias y estados. Eso quiere decir ni más ni menos que, intrínsecamente, las “partículas” subatómicas no son ni partículas ni ondas, sino todo lo contrario.

De Broglie descubrió que los cuerpos con masa se comportan como si fueran ondas, es decir, se propagan mostrando cierta longitud de onda o frecuencia (de algo que vibra, ¿campo de Higgs?, ¿Ëter?, ¿campo gravitacional?).

Seguidamente voy a demostrar que las ondas de materia sufren también el efecto Doppler. Y que la longitud de onda y la frecuencia de una onda de materia se expresan completamente de esta forma:

\displaystyle  \;\;\;f = \cfrac{mc^2}{\hbar}\  \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)\;\;\;
\displaystyle  \lambda = \cfrac{\hbar}{mc} \ \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)

He demostrado muchas veces, por activa y por pasiva, que las fórmulas del efecto Doppler completo para una determinada frecuencia (o longitud de onda) electromagnética, se expresan así:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v}{c}\right)  (1)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v}{c}\right)  (2)
donde obviamente, f es la frecuencia de la luz medida por el observador, f0 es la frecuencia original emitida por la fuente de luz, v es la velocidad relativa entre fuente y observador, y c es una constante (299792458 m/s) que muchos dicen que es la velocidad de la luz en el vacío (yo no me atrevería a decir tanto). λ es la longitud de onda medida, y λ0 es la longitud de onda original.

Igualmente, para las ondas de materias debe existir un efecto Doppler similar. La velocidad de fase cph de una onda de materia, por ejemplo la de un electrón, se expresa como el cociente de su energía total dividida por su momento lineal:

\displaystyle  c_{ph} = \cfrac{E}{p}
En cuanto a la velocidad de grupo vg de dicha onda de materia sería la derivada de la energía total respecto del momento:

\displaystyle  v_{g} = \cfrac{dE}{dp}
La enegía total de una partícula con masa m y su momento lineal se expresarían así:

\displaystyle  E = mc^2 \cosh\left(\cfrac{v}{c}\right) \\ \\ \\  p = mc \sinh\left(\cfrac{v}{c}\right)
por lo tanto, la velocidad de fase y la velocidad de grupo se expresan así:

\displaystyle  c_{ph} = \cfrac{E}{p} = mc^2 \cfrac{\cosh(v/c)}{mc\sinh(v/c)} = c \coth\left(\cfrac{v}{c}\right) \\ \\ \\  v_{g} = \cfrac{dE}{dp}  = \cfrac{mc^2 \sinh(v/c)}{mc \cosh(v/c)}= c \tanh\left(\cfrac{v}{c}\right)
Todo esto está ya super demostrado (por activa y por pasiva). Ahora viene la parte novedosa. Sustituyamos la β = v/c en las fórmulas del efecto Doppler, por esta otra:

\displaystyle  \beta =\cfrac{v_g}{c_{ph}}
Esto significaría que el efecto Doppler quedaría expresado para ondas de materia en lugar de para ondas electromagnéticas, así:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v_g}{c_{ph}}\right)  (3)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v_g}{c_{ph}}\right)  (4)

Pero es fácil ver que existe una relación de dispersión:

\displaystyle  v_g c_{ph} = \left(c \coth \frac{v}{c} \right) \left(c \tanh \frac{v}{c}\right) = c^2
con lo cual, las ecuaciones (3) y (4) quedarían así, si identificamos la velocidad de grupo de la onda de materia con la velocidad de la partícula, vg = v:

\displaystyle  f = f_0 \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)  (5)
\displaystyle  \lambda = \lambda _0 \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)  (6)
Es decir, esta frecuencia f y esta longitud de onda λ ya no corresponden a ondas electromagnéticas, sino a ondas de materia. Y esto significa, ni más ni menos, que f0 y λ0 deben corresponder a la frecuencia y la longitud de Compton:

\displaystyle  f_0 = \cfrac{mc^2}{\hbar}  (7)
\displaystyle  \lambda_0 = \cfrac{\hbar}{mc}  (8)
Así, finalmente, tendremos que el efecto Doppler para las ondas de materia vendría expresado por estas dos ecuaciones:

\displaystyle  f = \cfrac{mc^2}{\hbar}\  \exp \left(\cfrac{v^2}{c^2}\right)  (9)
\displaystyle  \lambda = \cfrac{\hbar}{mc} \ \exp \left(- \cfrac{v^2}{c^2}\right)  (10)
CDQ. Con lo cual he demostrado lo que quería demostrar. Además, en estas dos ecuaciones del efecto Doppler de ondas de materia se ve muy claramente por qué la longitud de onda no depende de si la partícula se acerca o se aleja del observador. La causa de eso es porque la β está elevada al cuadrado, y por lo tanto el signo de v (negativo para alejamiento y signo positivo para acercamiento) no influye en el valor de ese efecto Doppler.

Sin embargo, la ecuación (6) no equivale a la ecuación que propuso de Broglie, λ = h/mv, cuando la velocidad de la luz c tiende a infinito, es decir, en el límite clásico (Newtoniano). Esta discordancia obedece al hecho de identificar la velocidad de grupo de una onda de materia con la velocidad de la partícula, lo cual no siempre es correcto. Para corregir ese hecho, simplemente sustituimos el momento lineal clásico, p = mv, por el relativista Galileano, p = mc sinh(v/c). Con lo cual la longitud de onda de una onda de materia quedaría así:

\displaystyle    \lambda = \cfrac{h}{mc \sinh(\tfrac{v}{c})}     11
de esta forma es fácil comprobar como:

\displaystyle     \lim_{c \to \infty} \lambda =  \lim_{c \to \infty}\ \cfrac{h}{mc \sinh(\tfrac{v}{c})} =\cfrac{h}{mv}

Y para la frecuencia, tendremos la ecuación:

\displaystyle    f = \cfrac{E}{h}=\cfrac{m c^2}{h} \cosh(\frac{v}{c})     12

Saludos

Posted in Física de partículas, Gravedad Cuántica, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Gravitación universal: Resolución de la paradoja de la región lenticular

Posted by Albert Zotkin en febrero 14, 2015

En mi último post (Gravitación universal: Viaje insólito al centro de la Tierra) llegué a afirmar que una masa de pruebas en el interior de una esfera sólida de densidad uniforme sí podría sentir el campo gravitatorio creado por la masa de dicha esfera, contradiciendo así Newtom con su famoso teorema de la cáscara esférica (teorema del shell). Sin embargo, un análisis mas minucioso de dicho teorema nos lleva a concluir que Newton estaba en lo cierto. Veamos cómo Sir Isaac Newton demostró el teorema del shell:

Una de las razones por las que Newton inventó el cálculo infinitesimal fue para poder demostrar que la ley de la gravedad que él descubrió ofrece una aceleración gravitatoria nula dentro de una cáscara esférica para cualquier masa de pruebas, y también demostrar que si la masa de pruebas está fuera de esa cáscara esférica, la aceleración gravitatoria sería la misma que la que ofrecería si toda la masa de la cáscara estuviera situada en su centro.

Decir también que este teorema puede ser derivado desde la ley de Gauss para la gravedad. Empecemos:

TEOREMA DE LA CÁSCARA ESFÉRICA:
La Ley de la Gravitación Universal de Newton que para dos masas puntuales m y M separadas una distancia r la fuerza mutua ejercida sobre cada una de ella será:

\displaystyle  F = \frac{G m M}{r^2}   (1)
donde la constante universal G posee el valor aproximado de

\displaystyle  G \approx 6.67 \times 10^{-11} \mathrm{\ N.m^2/Kg^2}   (2)
A menudo es más útil usar el campo gravitario que genera la masa M,en lugar de la fuerza, así:

\displaystyle  E = \frac{G M}{r^2}   (3)
Si en lugar de una masa puntual tenemos toda esa masa repartida homogéneamente sobre una cáscara esférica, el problema será saber que campo gravitatorio existe en un punto cualquiera dentro y fuera de esa la cáscara. Consideremos que el radio de dicha esfera es R, y situemos una masa de pruebas a la distancia r al centro de dicha esfera.

La densidad de esa cáscara esferica de masa M será:

\displaystyle  \sigma =\frac{M}{4\pi R^2}   (4)
Si ahora descomponemos la cáscara esférica en pequeños anillos, y decimos que la distancia de uno cualquiera de dichos anillos al punto p donde está nuestra masa de pruebas es s, tendremos la siguiente configuración:

fig-1

La masa total del anillo seria entonces

\displaystyle      \begin{aligned}  M_a &=\sigma 2\pi R (\sin\phi) R d\phi \\   &=\frac{1}{2}M (\sin\phi)  d\phi    \end{aligned}     (5)
Seguidamente, nos damos cuenta que toda la masa está a la misma distancia s del punto p. Sin embargo, ya que (por simetría) la dirección del campo es hacia el centro de la esfera, la contribución de este pequeño anillo, tenemos que:

\displaystyle  dE =\frac{G M \cos\theta \sin \phi d\phi}{2s^2} =-\frac{G M \cos\theta d(\cos \phi)}{2s^2}    (6)
Y usando la ley de los cosenos tenemos

\displaystyle  R^2 = s^2+r^2-2rs\cos\theta, \\  s^2= R^2+r^2-2Rr\cos\phi   (7)
por lo que:

\displaystyle  \cos\theta = \frac{s^2+r^2-R^2}{2rs} \\ \\  \cos\phi = \frac{R`2+r^2-s^2}{2Rr} \\ \\  s^2= R^2+r^2-2Rr\cos\phi   (8)
con lo cual:

\displaystyle  -d(\cos\phi)=\frac{s}{Rr}ds.   (9)
y sustituyendo en (6) se obtiene la contribución del pequeño anillo:

\displaystyle  dE =\frac{GM(s^2+r^2-R^2)ds}{4Rr^2s^2}   (10)
Desde esta última ecuación se concluye que el campo gravitacional total inducido por la cáscara esférica sobre la masa de pruebas situada en el punto p es la integral de las contribuciones de todos los anillos:

\displaystyle  \begin{aligned}  E &= \int_{s=r-R}^{s=r+R}dE = \frac{GM}{4Rr^2} \int_{s=r-R}^{s=r+R}\frac{s^2+r^2-R^2}{s^2}ds =\\ \\   &= \frac{GM}{4Rr^2}\left(s+ \frac{R^2-r^2}{s}\right)\biggr\rvert_{r-R}^{r+R}= \frac{GM}{4Rr^2}\; 4R = \frac{GM}{r^2}  \end{aligned}   (11)
y eso probaría la primer aparta del teorema gravitacional de la cáscara esférica de newton. Para probar la segunda parte, es decir que el campo gravitacional dentro de la cáscara esférica es cero, hay que darse cuenta de que la contribución de cada uno de esos anillos es la misma de antes,

fig-2

y lo único que cambia son los límites de integración para s, que ahora son s = Rr y s = R + r. Por lo tanto:

\displaystyle  \begin{aligned}  E &= \int_{s=R-r}^{s=R+r}dE = \frac{GM}{4Rr^2} \int_{s=R-r}^{s=R+r}\frac{s^2+r^2-R^2}{s^2}ds =\\ \\   &= \frac{GM}{4Rr^2}\left(s+ \frac{R^2-r^2}{s}\right)\biggr\rvert_{R-r}^{R+r}= 0  \end{aligned}   (12)
Finalmente, calculamos el campos gravitacional inducido por una esfera sólida y homogénea de masa total M, en un punto cualquiera externo y después para un punto cualquiera del interior. La densidad de dicha esfera sólida sería:

\displaystyle  \mu= \frac{3M}{4\pi R^3}   (13)
Y como antes, sea r la distancia de la masa de pruebas en el punto p al centro de la esfera. Ahora dividamos la esfera en sucesivas cáscaras esféricas concéntricas, cada una con un grosor de dρ y radio ρ, con lo cual la masa de cada una de esas cáscaras sería:

\displaystyle  dM = 4\pi \rho^2 \mu d\rho = \frac{3M \rho^2}{R^3}d\rho.   (14)
Desde la primera parte del teorema de la cáscara de Newton, tenemos que la contribución al campo gravitacional de esa cáscara es:

\displaystyle  dE = \frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho;   (15)
y el campo total lo obtenemos integran todas las cáscaras concéntricas desde 0 hasta R:

\displaystyle  E = \int_0^R dE=\int_0^R\frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho=\frac{GM\rho^3}{r^2R^3}\biggr\rvert_0^R =\frac{GM}{r^2}   (16)
Y para finalizar estas demostraciones de teoremas, si el punto p de nuestra masa de pruebas está en el interior de la esfera homogénea (r < R), entonces según la segunda parte del teorema de newton arriba demostrado, vemos que la contribución al campo gravitacional por las cáscaras concéntricas de radio ρ está definida por

\displaystyle    dE =  \begin{cases}  \frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho & \quad \text{if } 0\leq\rho\leq r, \\  0  & \quad \text{if } r\leq\rho\leq R.\\  \end{cases}  \\ \\ \\    (17)
Por lo tanto, la contribución total al campo es la integral:

\displaystyle  E = \int_0^r dE=\int_0^r\frac{3GM \rho^2}{r^2R^3}d\rho=\frac{GM r^3}{r^2 R^3}   (18)
con lo que vemos que

\displaystyle  M_r = \frac{M r^3}{R^3}
es la masa contenida en el volumen de la esfera de radio r.

Y hasta aquí la demostración del teorema de la cáscara de Newton. He destacado toda la demostración con fondo amarillo, y un párrafo (el que incluye la ecuación #6) lo he destacado especialmente sobre fondo amarillo más intenso para señalar que quizás alguien podría tener dudas de que esa deducción sea correcta. De hecho, si Ma es la masa de uno de eso pequeños anillos, tal y como se expresa en la ecuación (5). Podemos calcular fácilmente que la aceleración de la gravedad, para una masa de pruebas situada sobre el eje central a cierta distancia z del centro del anillo, será:

\displaystyle  E_a = = \frac{G M_a z}{\sqrt{(R^2 + z^2)^3}}  (19)
pero z = s cos φ, y R2 + z2 = s2, por lo que

\displaystyle  E_a =  \frac{G M_a s \cos\phi}{s^3}=  \frac{G M_a \cos\phi}{s^2} \\ \\  \frac{1}{2} \frac{G M (\sin\phi)\cos\theta}{s^2} d\phi=-\frac{G M \cos\theta d(\cos \phi)}{2s^2}   (20)
es la misma ecuación (6).

Para resolver la paradoja de la región lenticular hemos de ver que si esa región es la correspondiente de substraer las masas elementales cuyas fuerzas opuestas en la masa de pruebas se cancelaban totalmente, entonces la masa de la esfera horadada restante, que sigue influyendo gravitacionalmente (sus fuerzas dos a dos no se anulan totalmente), es mayor que la que predice el teorema de la cáscara de newton. La solución a esta aparente anomalía está en ver que la masa de la región lenticular sustraída no es exhaustiva, es decir, es necesaria pero no es suficiente.
Esa región lenticular es sólo la correspondiente a fuerzas que se cancelan totalmente. Pero, aún permanecen en la esfera horadada restante pares de fuerzas que se cancelan sólo parcialmente, y eso implica que las masas elementales respectivas del par no se substraen del volumen totalmente pero deben substraerse parcialmente. Cuando completamos todas esas sustracciones parciales de masa veremos que la masa que permanece corresponde exactamente a la predicha en el teorema de la cáscara de Newton.

Saludos

Posted in Astrofísica, Cosmología, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Gravitación universal: Viaje insólito al centro de la Tierra

Posted by Albert Zotkin en febrero 6, 2015

En este pequeño artículo voy a calcular cuánto vale la gravedad en un punto cualquiera del interior de un cuerpo esférico y de densidad constante.

Empecemos. Si el radio de dicho cuerpo esférico es R, y un punto p cualquiera de su interior está a la distancia r de su centro, tendremos que si trazamos segmentos de rectas centrados en dicho punto p, hacia todas las direcciones, podremos ir viendo cómo se van anulando pares de fuerzas. Cuando se anula un par de fuerzas, su influencia sobre una partícula de prueba situada en p es nula, y por lo tanto es como si las masas elementales que generan esas dos fueras opuestas no existieran. Estas anulaciones efectivas, dos a dos, produce una especie de oquedad, a modo de un cráter.

Ese hueco gravitacional en la esfera es en realidad el producto de la intersección de otra esfera de igual radio

Esa intersección es un volumen que tiene forma de lenteja. Si desprendemos ese volumen de masa, que no influye gravitacionalmente sobre nuestra masa de pruebas, tendremos una esfera horadada, que se ve claramente en las siguientes ilustraciones que he dibujado. La lenteja intersección, que he pintado de amarillo, cuyo centro es el punto p donde esta nuestra masa de pruebas, la voy a desprender de la esfera azul que representa nuestro planeta Tierra, quedando pues el hueco de no-gravedad,

Ahora nuestro problema matemático se reduce a calcular el volumen de esa lenteja que hemos desprendido de la esfera principal. Una vez que sabemos el valor de ese volumen lo restaremos del volumen de la esfera, con lo cual sabremos cual es el volumen de la esfera azul horadada, que es la que en definitiva influye gravitacionalmente sobre nuestra masa de pruebas.

Para calcular el volumen de esa lenteja (volumen intersección de dos esferas iguales), bastará calcular la mitad. Esa mitad es lo que se llama casquete esférico

\displaystyle v = \frac {\pi h}{6} (3a^2 + h^2) (1)
O también:
\displaystyle v = \frac {\pi h^2}{3} (3R - h)
(2)
O en función de R y r:
\displaystyle v =\frac{1}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R)
(3)
Con lo cual el volumen total de esa lenteja será:

\displaystyle V = 2v = \frac{2}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R) (4)

Esto significa que el volumen que permanece en la esfera principal horadada (esfera azul) será pues:

\displaystyle V_E =\frac{4}{3} \pi  R^3 - \frac{2}{3} \pi  (r-R)^2 (r+2 R) \\ \\ \\ \\ V_E = \frac{2}{3} \pi  r \left(3 R^2 - r^2\right) (5)
Pero según la Ley de Gauss para la Gravedad, y según el teorema del Shell, ese volumen VE, debería corresponder al volumen de una esfera de radio r. Es decir,

\displaystyle V_E =\frac{4}{3} \pi  r^3 (6)
¿Dónde está pues el error?.

Obviamente, si nuestra masa de pruebas está localizada en el centro de la Tierra, la lenteja que extraemos (intersección de las dos esferas) tendria un volumen igual al volumen total de la esfera, lo cual implicaría que la gravedad en el centro de la Tierra es nula. Pero, la pregunta está hecha ya. ¿Dónde está pues el error en mis cálculos?. Está claro, que algo debe estar equivocado en mis cálculos y/o consideraciones ya que la probabilidad de que yo no esté equivocado y sí lo esté Gauss al respecto es casi nula, por no decir absolutamente nula.

Actualización (2/8/2015): La ecuación (5) del volumen de masa efectiva (masa que influye efectivamente sobre nuestra masa de pruebas) nos sirve para hallar la masa efectiva. Ya que sabemos que la esfera inicial de radio R y masa total M es homogénea , la densidad constante de dicha esfera inicial es:

\displaystyle \mu =\frac{3M}{4\pi R^3}  (7)
Por lo tanto, si dividimos la masa efectiva ME por el volumen efectivo VE obtendremos esa densidad constante μ:

\displaystyle \frac{M_E}{V_E}=\mu =\frac{3M}{4\pi R^3}  (8)
y por lo tanto la masa efectiva será:

\displaystyle M_E=\frac{2}{3} \pi  r \left(3 R^2 - r^2\right)\frac{3M}{4\pi R^3} \\ \\ \\ \\  M_E=\tfrac{1}{2}M\left(\frac{3 r}{R}\text{  }- \frac{r^3}{R^3}\right) (9)
Pero, según el teorema de la cáscara esférica de Newton (el teorema del Shell), el volumen efectivo sería el de la ecuación (6), es decir, toda la masa efectiva estaria dentro de una esfera de radio r, y por lo tanto, la masa efectiva ME (según predice la gravitación universal de Newton, que es la conocida ley del inverso del cuadrado de la distancia) sería:

\displaystyle M_E=\frac{4}{3} \pi  r^3 \frac{3M}{4\pi R^3} \\ \\ \\ \\  M_E=M\frac{r^3}{R^3} (10)
Y según la gravitación universal de Newton, la fuerza efectiva sobre nuestra masa de pruebas sería:

\displaystyle F_E= G M\frac{r^3}{r^2 R^3} \\ \\ \\ \\  F_E= G M\frac{r}{R^3} (11)
O sea, la ley de gravitación universal de newton dice que considerando el radio R y la masa M constantes, la fuerza efectiva de la gravedad en el interior de esa esfera homogénea es directamente proporcional a r (distancia al centro de la esfera).

En conclusión: Según los cálculos que he realizado, el volumen efectivo hallado es independiente de la teoría de gravitación que consideremos ( no empleo la asunción de que la fuerza de la gravedad sea la ley del inverso del cuadrado de la distancia), sino que sólo asumo que a distancias iguales le corresponderán fuerzas iguales. Ahí radica la discrepancia entre el resultado que yo he hallado y el resultado oficial (el de la Ley de gravitación de Newton). Si los cálculos que he realizados son correctos, esto implicaría que la masa efectiva sería siempre mayor o igual que la masa efectiva oficial. Y esto tiene una implicación muy importante en gravitación, ya que explicaría nada más y nada menos que la anomalía que llamamos materia oscura. En la siguiente representación gráfica, para M = 1 y R = 1, comparo ambas predicciones de masa efectiva (la gráfica en azul es la que yo he calculado y la roja es la predicción clásica Newtoniana).

lines1

La región en gris definida entre ambas gráfica en el intervalo [0, R] es, según mis presagios, lo que se viene llamando erróneamente materia oscura. Es decir, la materia oscura sería simple y llanamente una anomalía ficticia producto de un mal entendimiento de la gravedad a lo largo de los siglos.

Saludos

Posted in Astrofísica, Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Los motores (propulsores) inerciales son imposibles

Posted by Albert Zotkin en enero 8, 2015

En mi anterior post hablé un poco sobre los motores inerciales. Más exactamente, hablé sobre cómo funcionan supuestamente los propulsores inerciales. Estos hipotéticos propulsores violan la tercera ley de Newton, es decir, supuestamente deberían generar impulso desde el interior del vehículo sin que se genere a la vez una fuerza de reacción (igual en magnitud y de sentido contrario). Por lo tanto, estos propulsores si existieran violarían la conservación del momento lineal. El momento lineal es un vector, producto de la masa (escalar) por la velocidad (vector), y posee una propiedad muy semejante a la de la energía, que consiste en que no puede ser creado ni destruido, sólo transferido de un sistema a otro. Todo cambio de movimiento implica transferencia de momento lineal.
\displaystyle  n = \frac{c}{c_n}  (1)
Veamos sucintamente por qué es imposible la existencia de tales propulsores. Supongamos un vehículo espacial, formado por dos esferas unidas por un eje rígido, que se mueve a una velocidad uniforme. Para poder acelerar ese vehículo hasta una velocidad distinta, debemos desplazar su centro de masas hasta otra posición relativa distinta a la actual. Para desplazar dicho centro de masas tenemos que transferir masa desde una de las esferas hacia la otra (mediante bombeo de un gas, por ejemplo). Una vez que hemos transferido masa, el nuevo centro de masas quedará mas cerca de la esfera que posea mayor masa. En ese momento estamos listos para ejercer tracción sobre la esfera de menor masa hacia la otra. Una vez que hemos acercado dicha esfera hacia la otra, devolvemos la masa transferida y ejercemos empuje para alejar la esferas a la posición relativa que tenían al inicio. Una vez hecho eso deberíamos observar que el vehículo ha acelerado, es decir, la velocidad final del centro de masas sería distinta a la inicial. Veamos gráficamente con unas figuras todo el proceso de la supuesta aceleración del sistema.

Paso 1: Partimos de esta estructura inicial
graphic1

Paso 2: Transferimos la mitad de la masa de una esfera hacia la otra
graphic2

Paso 3: Acercamos la esfera de menor masa hacia la de mayor masa
graphic3

Paso 4: Transferimos masa desde la mayor a la menor de modo que se inviertan las magnitudes
graphic4

Paso 5: Alejamos las esferas hasta los dos extremos
graphic5

Paso 6: Transferimos masa hasta que se igualen
graphic6

Se supone que con estos seis pasos deberíamos haber podido incrementar la velocidad de ese vehículo, pero en realidad no lo hemos conseguido. La clave está en que cuando transferimos masa de una esfera hacia la otra también variamos el centro de masas. Si cuando hacemos esa transferencia, el centro de masas quedara invariante entonces si que lograríamos incrementar la velocidad inercial del vehículo, habríamos generado una fuerza propulsora desde el interior sin contrapartida en una fuerza de reacción (opuesta). Pero, cuando transferimos masa, el centro de masas se acercará a la esfera que recibe dicha masa, y por lo tanto se aleja de la esfera que decrece en masa. Ese desplazamiento del centro de masas es de tal magnitud que cuando movemos la esfera más ligera, acercándola o alejándola de la mas pesada, ocurre que al final nunca conseguimos acelerar el vehículo hasta una velocidad final distinta de la inicial. En resumen, que el momento lineal se conserva, y por lo tanto todo propulsor (motor) inercial es imposible. En conclusión, en este experimento, si la velocidad inicial era cero, la velocidad final será cero.

Saludos

Posted in Astrofísica, Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

El Motor Inercial Mach-Lorentz nos llevará a las estrellas

Posted by Albert Zotkin en diciembre 30, 2014

Un Motor Inercial Mach-Lorentz es un hipotético artefacto basado en el efecto Woodward que instalado en un vehículo espacial sería capaz de proporcionarle empuje sin necesidad de eyectar gases o cualquier otro material.

La idea del efecto Woodward se basa en la posibilidad de que se pueda inducir un cambio de masa inercial a un cuerpo cuando aceleramos eléctrica y magnéticamente algunos de sus componentes. Ese cambio temporal o cíclico de la masa inercial podría ser aprovechado para generar una fuerza con la que el vehículo aceleraría en el espacio. Es decir, que el vehículo no tendría que eyectar materia para acelerar. ¿Cómo se consigue eso?. La masa inercial es como un ancla en el espacio. Supongamos que dos personas, de igual peso, se suben a dos vagonetas que están sobre unos raíles. Si uno de ellos empuja la otra vagoneta, ambas se moverán en sentido contrario la misma distancia. Pero, si uno de ellos es más pesado que el otro, entonces la vagoneta con menos masa llegará más lejos. Está claro que la vagoneta más pesada está anclada a los raíles. Avanzar por el espacio con este artilugio también sería semejante a remar sobre una barca. Cuando alzamos el remo para llevarlo a una posición mas avanzada la masa del mismo rozando el aire es menor que cuando su pala está dentro del agua. Cuando hacemos fuerza para remar con la pala en el agua, eso es semejante a cuando empujamos a un cuerpo de mayor masa que nosotros. Existe siempre un cambio virtual de masas. Las ruedas de un coche sobre la calzada también experimentan ese cambio cíclico virtual de masas. La parte de la rueda que pisa la calzada es semejante a la vagoneta de mayor masa (queda más anclada que las otras partes del sistema). Cuando una parte queda más anclada, podemos aplicar empuje para aproximar hacia ella las partes más atrasadas. Es evidente que si el aire fuera más denso que el agua no podríamos remar en nuestra barca con eficiencia, ya que al llevar el remo por aire para ponerlo en la posición avanzada, nuestra barca se iría hacia atrás. De hecho, cuando remamos, la barca experimenta un impulso retrógrado (hacia atrás) cuando el remo va por aire hacia la posición avanzada. Lo que ocurre es que esa fuerza es insignificante frente a la fuerza de avance que conseguimos con la pala del remo dentro del agua.

Así, con un motor inercial, tipo Mach-Lorentz, queremos que exista una desproporción cíclica de fuerzas, de modo que siempre obtengamos ventaja con un avance que sea mayor que el retroceso. El problema con esta clase de “motores” que aplican el efecto Woodward es que no está claro si tal efecto existe en realidad, y cómo se realizan los anclajes para poder avanzar. ¿Cómo puede un vehículo espacial acelerar por el espacio como si fuera una oruga?.

En lugar de dos vagonetas imaginemos dos bolas de acero de igual volumen unidas por un muelle, y pongamos dicho sistema a vibrar. Si, de alguna forma, transferimos (mediante bombeo de gas, por ejemplo) masa de una bola hacia la otra mientras el sistema vibra por medio del muelle, es posible conseguir que dicho sistema experimente una fuerza que lo impulse en una determinada dirección espacial.

James F. Woodward afirma que en un motor Mach-Lorentz, el cual se basa en el efecto Woodward, cuando se carga un condensador eléctrico, su dieléctrico experimenta un aumento pasajero de su masa inercial, y cuando el condensador se descarga, el dieléctrico experimenta una disminución de masa. La fórmula que deduce Woodward para ese incremento de masa del dielétrico es:

\displaystyle    \delta m_0 =  \frac{1}{4\pi G}\left[\frac{1}{\rho_0 c^2}\frac{\partial P}{\partial t} -  \left(\frac{1}{\rho_0 c^2}\right)^2 \frac{P^2}{V}\right]
donde m0 es la masa propia, G es la constante de gravitación universal, c es la velocidad de la luz en el vacio, ρ0 es la densidad propia del dieléctrico, V es el volumen del dieléctrico, y P es la poencia eléctrica instantanea enviada al sistema.

El problema con esa fórmula es que nadie sabe si predice un efecto real o es falsa ya que nadie ha sido capaz aún de medir ese supuesto efecto Woodward.

Saludos

Posted in Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | 1 Comment »

Gravedad cuántica: ¿existe una velocidad mínima no nula para el movimiento de los cuerpos con masa?

Posted by Albert Zotkin en diciembre 22, 2014

Si nos creemos el hecho de que existe una velocidad máxima (insuperable) en nuestro universo, la cual identificamos como la velocidad de la luz en el vacío, c, entonces tambien debe ser razonable pensar que debe existir una velocidad mínima no nula, no sólo para los cuerpos con masa, sino para la misma luz. Este hecho de una cota minima nos lleva a fenómenos como el de la refracción de la luz en medios extremos. Decimos que un medio posee un indice de refraccíon n mayor que la unidad cuando la velocidad de la luz cn en dicho medio es inferior a la que posee en el vacio:

\displaystyle  n = \frac{c}{c_n}  (1)
Si afirmamos que ha de existir una velocidad mínima no nula para la luz en algún medio (por ahora desconocido), entonces dicho medio poseerá un índice de refracción muy alto, pero no infinito, porque si fuera infinito la velocidad de la luz en dicho medio sería nula. Por otro, lado sabemos que la longitud de Planck lP está definida de esta forma:

\displaystyle  \ell_\text{P} =\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \approx 1.616\;199 (97) \times 10^{-35} \mbox{ m}  (2)
Esto significa que es posible expresar la velocidad de la luz en función de la Longitud de Planck:

\displaystyle  c =\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{\ell_\text{P}^2}}   (3)
Y esto quiere decir que para una posible velocidad mínima no nula, c0, de la luz en un medio extremo (aún desconocido) debemos encontrar una longitud “extrema” muy grande, que llamaremos RH, tal que:

\displaystyle  c_0 =\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{R_\text{H}^2}}   (4)
por lo que el índice de refracción para ese medio en el cual la luz se ralentiza hasta llegar a propagarse a la mínima velocidad no nula posible, será:

\displaystyle  n_0 =\cfrac{\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{\ell_\text{P}^2}} }{\sqrt[3]{\frac{\hbar G}{R_\text{H}^2}} } =\sqrt[3]{\frac{R_\text{H}^2}{\ell_\text{P}^2}}  (5)

Es pues posible hipotetizar que esa longitud RH no puede ser otra que un Radio de Hubble:

\displaystyle  R_\text{H} =\cfrac{c}{H_0}  (6)

donde H0 es la constante de Hubble, y su valor aproximado es de

\displaystyle  R_\text{H} \approx  13.000 \ \text{millones de a\~nos luz}  (7)
Luego la velocidad mínima que buscamos será:

\displaystyle  c_0 =\sqrt[3]{\frac{\hbar G H_0^2}{c^2}}   (8)
Saludos

Posted in Astrofísica, Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Gravedad cuántica: Análisis pormenorizado de la componente entrópica de la gravedad

Posted by Albert Zotkin en diciembre 19, 2014

Hace ya algún tiempo un tal Erik Verlinde publicó un artículo en el que supuestamente deducía la ley de gravitación universal de Newton desde primeros principios, incluso dedujo las ecuaciones de campo de Einstein de la Relatividad General, concluyendo que la gravedad es una fuerza entrópica, es decir una fuerza que no es fundamental y que emerge naturalmente del aumento de entropía de los sistemas materiales. Verlinde usó el principio holográfico y las conocidas leyes de la termodinámica, junto con algunas cosillas más, para deducir dicha fuerza entrópica. Las fuerzas entrópicas emergen desde el microcosmos hacia el macrocosmos debido a que los sistemas materiales tienden a adoptar estados de máxima entropia. Cuando estiras una goma elástica debes de ejercer una fuerza para contrarrestar temporalmente su estado maximizado de entropía. Al estirar la goma estás rebajando su entropia, y por lo tanto la goma se opone a ese cambio ejerciendo una fuerza en sentido contrario que intenta restaurar su estado de máxima entropía.

Pero, como vamos a ver ahora, esa fuerza entrópica deducida por Verlinde desde primeros principios, y que emerge siendo la fuerza de gravitación de Newton, es sólo una componente de la gravedad total. En concreto vamos a ver cómo esa componente entrópica es engullida brutalmente por un tiburón cuántico que habita en las profundidades del microcosmos termodinámico.

Comencemos expresando la Primera Ley de la Termodinámica para sistemas homogeneos cerrados:

\displaystyle  dU=TdS-PdV  (1)
donde dU es el cambio de energía interna, T es la temperatura, dV es el cambio de volumen, dS es el cambio de entropia, y P es la presión. Sabemos que PdV es el cambio de energía libre del sistema, por lo tanto puede ser expresada como suma de los cambios de energía de cada uno de los microestados

\displaystyle  \langle PV\rangle=-\frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} = -\frac{\epsilon_1\oplus\epsilon_2\oplus\epsilon_3\oplus\dots}{\beta}     2
Donde εs representa la energía del microestado s, Z es la función de partición, y β es menos el inverso del producto de la temperatura por la constante de Boltzmann:

\displaystyle    \mathcal{Z} = \sum_{s} e^{\beta \epsilon_s}  \\ \\ \\   \beta = -\frac{1}{k_BT}
La ecuación (1) para un proceso con presión y temperatura constantes queda así:

\displaystyle  U=TS-PV  (3)
por lo tanto sustituyendo (2) en (3) tenemos:

\displaystyle  U=TS + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\   U=\frac{\beta}{\beta} \ln \exp(TS) + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\ \\   U=\frac{\ln \exp(\beta TS )}{\beta} + \frac{\ln(\mathcal{Z})}{\beta} \\ \\ \\   U=\frac{\ln \left (\mathcal{Z}\exp(\beta TS ) \right)}{\beta}  \\ \\ \\   (4)

Según el postulado fundamental de la mecánica estadística, la entropía S es directamente proporcional al logaritmo del número Ω de microestados:

\displaystyle  S = k_B \ln \Omega

es decir

\displaystyle  TS = Tk_B \ln \Omega= -\frac{\ln \Omega}{\beta}  (5)

por lo que (4) lo podemos calcular más fácilmente:

\displaystyle  U=TS + \frac{\ln \mathcal{Z}}{\beta} \\ \\   U=-\frac{\ln \Omega}{\beta} + \frac{\ln \mathcal{Z}}{\beta} \\ \\ \\
\displaystyle  \boxed{U=\cfrac{1}{\beta}\ln \left(\frac{\mathcal{Z}}{\Omega}\right)}   (6)
Esta energía interna U es lo que en gravedad debe identificarse como la energía potencial gravitatoria, la cual si es dividida por la masa m de una partícula de prueba tendremos el potencial gravitatorio (con todas sus componentes) en el punto espacial donde está localizada dicha partícula:

\displaystyle    \boxed{V = \cfrac{U}{m}=\cfrac{1}{m \beta}\ln \left(\frac{\mathcal{Z}}{\Omega}\right)}   (7)
Recapitulemos. La componente entrópica debe ser identificada con la gravitación clásica de Newton, y la componente de energía libre (PV) debe ser identificada con lo que se llama gravitomagnetismo. O lo que es lo mismo, la función de partición Z mapea dicho gravitomagnetismo, mientras que el número Ω de microestados mapea la componente estática de gravitación Newtoniana.

Pongamos un pequeño ejemplo. Supongamos que queremos calcular el número Ω de microestados de un sistema gravitatorio binario, con masas M y m. Igualamos el potencial gravitatorio así:

\displaystyle     V =-\frac{\ln \Omega}{m\beta} = -\frac{GM}{r}  \\ \\   \Omega = \exp\left(\frac{GMm\beta}{r}\right)

pero en β está incluida la temperatura T, por lo tanto si igualamos esa temperatura con la temperatura de Unhru:
,

\displaystyle  T = \frac{\hbar a}{2\pi c k_\text{B}} \\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c}{\hbar a} \\ \\ \\

y la aceleración a la igualamos a la aceleración del campo gravitatorio estático, a = g:

\displaystyle  a = \frac{GM}{r^2}\\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c r^2}{\hbar GM} \\ \\ \\

Por lo que el número Ω de microestados para ese sistema gravitatorio será:

\displaystyle  a = \frac{GM}{r^2}\\ \\ \\  \beta= -  \frac{2\pi c r^2}{\hbar GM} \\ \\ \\  \Omega = \exp \left(\frac{GMm\beta}{r}\right) = \exp\left(\frac{m c \ 2\pi r}{\hbar}\right)
Saludos

Posted in Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

Gravedad cuántica: definición de nuevo centro de masas desde micro-estados mediante infra-sumas de orden -1

Posted by Albert Zotkin en octubre 28, 2014

Clásicamente, se define el centro de masas de un sistema de n partículas asi:

\displaystyle  \mathbf{R} = \frac 1M \sum_{i=1}^n m_i \mathbf{r}_i,
donde mi es la masa de la partícula i, ri es su vector distancia (desplazamiento) al origen de coordenadas, M es la masa total del sistema de partículas y R es el vector distancia (desplazamiento) del centro de masas. Desde esta definición de centro de masas vemos claramente que ese punto que nos señala el vector R debe ser tal que

\displaystyle   \sum_{i=1}^n m_i(\mathbf{r}_i - \mathbf{R}) = 0

se cumpla siempre para dicho sistema de partículas. Podemos hacer esa suma adimensional si la dividimos por el producto de la masa de Planck y la longitud de Planck, mP×lP

\displaystyle   \ell_\text{P} =\sqrt\frac{\hbar G}{c^3} \\ \\  m_\text{P}=\sqrt{\frac{\hbar c}{G}} \\ \\  m_\text{P} \ell_\text{P} =\cfrac{\hbar}{c}

es decir

\displaystyle  \sum_{i=1}^n \cfrac{m_ic(\mathbf{r}_i - \mathbf{R})}{\hbar} = 0
Ahora viene la parte interesante de todo esto. Una vez que hemos hecho adimensional dicha suma, nos vamos al ámbito de las infra-sumas, y decir que si usamos el operador ⊕ de orden -1 tendremos un nuevo centro de masas ℜ tal que:

\displaystyle   \cfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar} \oplus \cfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar} \oplus \dots= -\infty

debe ser igual a -∞ por que ese es el elemento neutro de la infra-suma de orden -1. Y según la definición de infra-suma de orden -1, tendremos que

\displaystyle   \log\left(\exp(\tfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar}) + \exp(\tfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar}) + \dots\right)=-\infty=\log 0 \\ \\    \exp(\tfrac{m_1c(\mathbf{r}_1 - \cal{R})}{\hbar}) + \exp(\tfrac{m_2c(\mathbf{r}_2 - \cal{R})}{\hbar}) + \dots =  0 \\ \\   \sum_{i=1}^n \exp \left(\frac{m_ic(\mathbf{r}_i - \cal{R})}{\hbar}\right) = 0
Es evidente que la magnitud ħ/mic es la longitud de onda de Compton reducida de la partícula i del sistema, una forma muy natural de expresar la masa a escala cuántica. Pero, lo interesante está en el valor de ℜ, y ver a dónde apunta. Espero que alguien serio lea este pequeño artículo de gravedad cuántica y lo tenga en cuenta como una modesta y pequeña contribución para el progreso de la ciencia, y en particular de la gravedad cuántica.

Saludos

Posted in Cosmología, Física de partículas, Gravedad Cuántica, Matemáticas, Mecánica Cuántica, Relatividad | Etiquetado: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Leave a Comment »

 
A %d blogueros les gusta esto: