Las dimensiones del mundo – Parte 1

Las dimensiones del mundo – Parte 1

Si no movemos en nuestro entorno, constantemente hacemos comparaciones en forma inconsciente. Si estamos frente a una casa, pensamos “Ajá, es cinco veces más alta que yo”, o sea 10 [m]. Cada vez, en cada cosa que vemos nos referimos a una dimensión comparativa “comprensible”. Las dimensiones de un alfiler, de un automóvil, un árbol o una montaña nos son  familiares, nuestro cerebro a cumuló los tamaños comparativos desde nuestra primera infancia. Este  es nuestro mundo cotidiano usual, que no nos cuesta visualizarlo.

¿Pero qué sucede si las dimensiones cambian?, Cuando estamos viajando en un avión no “sentimos” ni la velocidad de 900 km/h, ni la altura de 10 000 m. Realmente nos podemos imaginar esta distancia hacia la superficie de la Tierra?  Más bien no. En este capítulo se describirá, que el mundo, en el cual vivimos, aún contiene dimensiones totalmente distintas. Estas no las podemos captar cabalmente con nuestros sentidos. Parta serte nos faltan los valores comparativos. Sin embargop son dimensiones, que determinan nuestra vida y, que ante todo, la posibilita. Para esto un ejemplo: 

Veamos la constelación de la Osa Mayor y la estrella polar (Polaris). Esta se encuentra a una distancia de 431 años luz de la Tierra. Un año luz es el trayecto que recorre la luz en un año y tiene un lar5go de 9.454.254.000.000 (9.454.254 x 10ˆ12 km), o sea umnios9,5 billones de kilómetros. Con esto Polaris está a una distancia de aprox. 4,07 x 10ˆ15 km. Para visualizarnos eta distancia haremos una viaje en un automóvil (imaginario) a una velocidad de 130 km/h, para esto necesitaríamos

3 578 1387 291 años

Más  3,5 mil millones de años. ¡Una distancia inimaginable! Y esto que Polaris es una de nuestras “vecinas” en el espacio…

Pero comencemos con algo más pequeño. Mañana quizás a la vuelta de un paseo puede trae una pequeño manojo de heno.
Preferentemente de una pradera que había estado cubierta de agua, pero el ensayo también resulta con pasto seco, póngalo en un frasco de vidrio y llenase hasta 1/3 con agua, deje reposar 1 a 2 días. Entonces podemos poner una gota en un vidrio porta objeto, también se puede sacar una gota de una poza de agua. 

A simple vista no podemos ver nada, no es más que una gota de agua. Pero bajo un microscopia podemos observar: La gota de agua está llena de vida, amebas junto a paramecium o rotíferos y muchos otros más. La figura adjunta muestra algunos paramecium, que miden entre 0,108 y 0,30 mm. 

Con la gentil autorización de Eckart Hillenkamp

Al día siguiente, con un pequeño microscopio podemos buscar a los maravillosos osos del agua (tardígrados). Que apenas miden 0,3 hasta 0,5 mm. Otro mundo se nos abrió, que quizás para algunos estaba totalmente oculto. A estos animalitos prácticamente se encuentran en todas partes de la Tierra, un par de gotas les son suficiente como espacio vital. Sin embargo son verdaderos artista de la sobrevivencia. Si en un momento dado no hay agua, se transforman en una forma de materia seca, y pueden mantenerse así, durante años… Si entran nuevamente en contacto con agua, despiertan en solo minutos a una vida plena..…

Copyright y más información: www.baertierchen.de

Ahora hemos visto (superficialmente), que junto a “nuestro mundo” que supuestamente experimentamos, que en unas gotas de agua existe un mudo totalmente deferente. Pero para descubrir estos mundo, el agua ni es necesaria…  

Cuando Ud. se va a la cama esta noche, mejor no mire si ropa de cama con un microscopio. Sino las  vistas como las de la izquierda no lo dejarían dormir.
Vemos imágenes de microscopio electrponioco de barrido (REM por sus siglas en alemán)) de los ácaros del polvo doméstico, que de hecho, también pululan en su cama. Un “mini monstruo” apenas mide 400 micrómetros (0,4 mm) y pesa apenas unos 8 microgramos (=0,000008 g). Estos simpáticos individuos, a los cuales más de algún contemporáneo le debe una alergia, consumen la mitad de su peso al día – en forma de escamas de piel humana, El humano pierde al día aprox. 0,5 g, esto es suficiente para alimentar a 120 000 ácaros al día.   

Copyright fotos de ácaros: Dr. rer. nat. J.-Th. Franz

 

Esto naturalmente es sólo una minúscula mirada al mundo de los “mini seres vivientes”. No hemos tocado la mini flora, por ejemplo, la diversidad de los musgos, líquenes y hongos que crecen en la Tierra. Puede que no sea creíble, pero un pedazo de musgo o de un liquen en una rama, es la patria de miles de diversos seres vivientes, un mundo en general desconocido para nosotros, porque no los podemos ver. Recién gracias a nuestra tecnología podemos darle un vistazo. Una cucharada de tierra del jardín, ofrece lugar para millones de individuos, un montón de compost  es un paraíso, si se trata de la diversidad de especies. En el marco de este trabajo es casi imposible referirse a todos estos seres vivientes. Pero imagínese lo que sentiría una hormiga, un oso de agua o un paramecium, si podría darle una mirada consiente a un ser humano o al cielo nocturno estrellado… -

Demos un paso más, a dimensiones más pequeñas. Aquí nos encontramos con una inmensa riqueza de especies de bacterias. Con esto entramos en un ámbito, en el cual los seres vivientes apenas tienen un tamaño de milésimas de milímetros  (1 [µm] = 0,001 [mm]).

 

Ambas tomas © B.Wiedemann http://www.bewie.de/ 

Aquí vemos dos tomas que se hicieron con el microscopio electrónico de barrido (”REM”), algunas bacterias sobre una hoja en descomposición. Estos seres unicelulares no disponen de un núcleo, y por lo tanto se consideran dentro de las procariotas, al contrario a las amebas o los paramecium, que están provistas de un núcleo, y que por esta razón se consideran dentro de las eucariotas.  Aunque no podemos ver estos animalitos (a pesar de que algunos alcanzan un tamaño de 2 mm), dominan totalmente nuestra vida. Nuestra boca es igualmente poblada por ellos al igual que nuestros intestinos, donde nos dan muy un muy buen servicio. En la atmósfera, en el agua y en el suelo – las bacterias están por doquier.
 

Si alguna vez nos molesta una úlcera estomacal o nos da una borreliosis por la mordida de una garrapata o alguien se enferma de cólera – los causantes siempre son bacterias. Las muchas especies pueden ser esféricas, tener la forma de bastoncitos o espirales. Algunas formas estados permanentes en forma de esporas, que resisten las condiciones ambientales más extremas.- En forma grosera  se pueden clasificar las bacterias en aeróbicas, que necesitan Oxígeno y anaeróbicas, para las cuales el Oxígeno es un veneno. Estos últimos deben haber sido los primeros habitantes de la Tierra, ya que en aquel entonces, la atmósfera no contenía Oxígeno.

Los virus -  aquí no nos referimos a los virus computacionales - ellos nos llevan a un nivel más bajo aún, el “mundo nano”. Sus dimensiones se mueven en al ámbito de los nanómetros, dónde 1 nm = 0, 000 001 mm o 10ˆ-9 m. 

 Como ejemplo vemos aquí el virus de la influenza, el diámetro es de unos 200 nm. Estrictamente considerado los virus  no se consideran como seres vivientes, ya que no se pueden reproducir por ellos mismos. Para esto necesitan un anfitrión, una célula que pueden penetrar y a la cual obligan a “producir” nuevos virus, si los nuevos virus abandona la célula, esta muere.

Fuente:   http://www.uct.ac.za/depts/mmi/stannard/linda.html
Copyright Linda M. Stannard, 1995 

Los virus son responsables de muchas enfermedades, por ejemplo HIV y hepatitis. Pero también intoxicaciones de alimentos aportan su parte. Entre los virus encontramos especialistas, que para su reproduccipon necesitan bacterias.  A estos se le llama fagos. Con un microscopio óptica no podemos ver  a estos enanos, para esto necesitamos un microscopio electrónico a de barrido. En general los virus miden entre 20 y 300 nm, se les considera como partículas, que se componen de un envoltorio de proteínas, dentro del cual se encuentra acumulado una información hereditaria en forma de un ácido nucleico, el ADN.-

Aquí podemos darle  una mirada sensacional al inferior de tal llamado reovirus (respiratory enteric orphan virus). El nombre nos dice que se encuentra  en el tracto respiratorio e intestinal, y que no están relacionados con alguna enfermedad. Estos virus son del tipo ARN, es decir, muestran un genoma ARN de doble cuerda, los vemos como partículas rojas en el interior del virus. Estos son los “fabricantes”, que obligan a una célula a producir nuevos virus. ¡Aquí vemos detalles de hasta 7 x 10ˆ-10 m! 


Fuente:  Timothy S. Baker  

Abandonemos al micro mundo y démosle una mirada a la futura nanotecnología.

 Lo que vemos en esta cuadro son los tal llamados nano tubos,. Se fabrican implantando carbono en plantillas de Aluminio. El diámetro interior de una de estos tubitos es menor que 1 nm, en el campo del tamaño de una molécula. Estos tubitos, por ejemplo, se oueden usar para obtener sustancias altamente puras y que incluso se pueden tamizar moléculas extrañas.

Fuente: Charles Martin

La nanotecnología nos abrió mientras tanto nuevos mundos y posibilidades, No sólo para el revestimiento de lavatorios o vidrios, con nano polvos, para el rechazo de agua y polvo. Se tiene la esperanza, construir, por ejemplo, mini robots que nos pueden ayudar en la medicina, al ser introducidos en el cuerpo humano, que en el lugar requerido pueden realizar “reparaciones”. Aquí vemos un sistema de engranajes, de apenas unos pocos nm. Se trata de una “caja de cambio” de seis velocidades. Cada engranaje en forma individual puede ser controlado en forma secuencial por el mecanismo de arriba. Sistemas de engranajes cómo este ya fueron expuestos a 250 000 revoluciones por minuto.
Fuente: Courtesy Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies


Pero aún  no hemos llegado al final de nuestra visita relámpago a lo más pequeño del mundo. Delante de nosotros esta el reino de las moléculas y de los átomos. La agrupación de varias o muchas moléculas o de átomos distintos, pueden ser muy distintas en sus dimensiones. La molécula del agua conocida por todos – H₂0 – tiene un diámetro de sólo de una diez millonésima de milímetro, mientras existen moléculas orgánicas gigantescas, en las cuales millones de átomos forman cadenas o redes que llagan hasta el ámbito milimétrico.

 Por esto vamos a ignorar el inabarcable de las moléculas y nos dirigimos directamente a los átomos. El más pequeño es el átomo del Hidrógeno con un diámetro aprox. De 8 x 10ˆ-11 m. El Hidrógeno es aquel elemento de mayor frecuencia en el universo. Se compone sólo de un protón que es circundado por un electrón. El protón es casi el único que tiene masa, “pesa” 1.672648 x 1027 kg, conun diámetro de sólo 2 x 10ˆ-15 m y es por lo tanto diez mil veces más pequeño que el átomo.
 

Figura: Thomas Terry, The Biology Place 

El electrón de carga negativa (e^-) “orbita” al protón positivo (p⁺) a una distancia relativamente grande, de manera que el átomo, hacia afuera, aparece eléctricamente neutro. Si se “inflara” un átomo cómo este a un diámetro de 100 m, entonces el núcleo sólo sería tendría un tamaño de 10 cm. El electrón unas 2000 veces más liviano que el protón rodea al núcleo en forma de una nube. Debido al principio de la incertidumbre, nunca podaríamos decir en qué parte se encuentra el electrón. En este simple ejemplo vemos, que la mayor parte del átomo se compone - ¡de nada! Un pequeño pero relativamente pesado núcleo que es casi el único responsable de la masa del átomo, está rodeado de vacío y recién a una gran distancia vemos una nube de electrones, llamada orbitales, en la cual, con una gran probabilidad, reside el electrón.

El Hidrógeno es ahora el elemento químico más simple, los demás 118 elementos conocidos, se forman, a medida que cada vez más  protones se alojan  en el núcleo - donde son “estabilizados” por neutrones que no tienen carga eléctrica – que en el envoltorio atómico son rodeados por una cantidad equivalente de electrones. En la toma del microscopio de transmisión electrónica TEM ( por su sigla en alemán) vemos átomos de Silicio en un cristal de este elemento , cada circulo correspoinde a dos átomos,
Fuente: Siemens 

Hasta ahora sólo hemos hablado de la carga eléctrica de las partículas ¿qué rol juega la gravitación en el átomo? ¡Ninguna! La gravitación es la fuerza más débil de las fuerzas naturales, e insignificante en comparación a la aquí dominante fuerza de atracción eléctrica. Aquí no nos dedicaremos a la estructuración de los distintos átomos, para esto hay suficiente información en la Internet.

Ud. ha adivinado correctamente, si cree, que aún no hemos penetrado en los campos más recudidos de la naturaleza. Cuando el filósofo  griego Demócrito designó  al átomo (á-tomo, lo indivisible), fue esto, para aquellos tiempos un logro extraordinario de la mente humana. Aun hoy vale el principio que un átomo mediante métodos químicos no puede ser  dividido.

 Sin embargo, los físicos han inventado una especie de “cuchillo”, con el cual también de pueden partir los átomos. Por ejemplo, se sabía, que determinados elementos cómo el Uranio o Plutonio se desintegraban mediante el bombardeo con un neutrón. Con esto, a su vez se liberan otros neutrones, Si se junta la cantidad de material de sete elemento (masa crítica), entonces este proceso se desarrolla en forma automática. Nosotros, nos las tenemos que ver con una reacción en cadena. Y debido a que  se liberan grandes cantidades de energía, el experimentador no quisiera estar cerca para observar esto, por esto separa la masa crítica en dos partes, que luego en algún momento sin juntadas mediante una carga explosiva química. El bombardeo con neutrones es entonces suficiente para dejar la gran embarrada en la naturaleza, lo que sucedió en Hiroshima.

Naturalmente, también existen soluciones pacíficas  de este principio… realizados en las centrarles eléctricas nuclearos. Al asegurar, que los neutrones liberados sean prontamente capturados y aprovechar el calor generado, entonces una fisión suave de los núcleos atómicos es del todo útil.

Pero no sólo queremos destruir átomos, sino en lo posible sus “partículas” ¿Es esto posible? En al caso de los electrones más bien no, hoy es considerado como una partícula fundamental. En cambio a  los protones y los neutrones les podemos llegar al tuétano.

Los protones y los neutrones no son partículas elementales, teóricamente pueden ser subdivididas. Ya en 1964, los físicos en sus aceleradores de partículas pudieron demostrar la existencia real de los tal llamados quarks, de los cuales se componen los protones y neutrones.

Se conocen seis tipos de quarks  con los nombres up, down, charme, strange, bottom y top. Denominados humorísticamente por los físicos como Flavour (sabor)  Estos no sólo se diferencias por sus cargas eléctricas, sino también por una “carga de color” (rojo, verde, azul). Para cada quark existe una anti-quark, que entonces es anti-rojo, anti-verde y anti-azul.

Desgraciadamente los quarks no son partículas libres, nunca aparecen en forma individual. Más bien son mantenidos juntos por los gluones  (del inglés glue = pegamento) de tal manera, que no es posible observar a un quark en forma aislada.

Su existencia sólo se puede demostrar, bombardeando constantemente a un protón con electrones y, a continuación, dependiendo del punto de impacto que diferentes reacciones se desencadenan, que están condicionados por las distintas propiedades de los quarks Un protón se compone de 2 up quarks y una down quark, donde los neutrones es al revés. Pero en realidad, la estructuración de un protón es mucho más complejo, ya que los gluones pueden transformares temporalmente en quarks y anti-quarks, por lo cual un protón es una “sopa” efervescente de quarks,  pares quark-anti-quark y gluones.

Fuente: DESY

¿Cuál es realmente el tamaño de un quark? Es mil veces más pequeño que un protón, su diámetro es de unos  10ˆ-18 m. en el mismo orden de tamaño nos encontramos una particular familiar, el electrón. Si aumentaríamos el tamaño de un quark a 1 mm, el protón tendría un duámetro de 1 m y un átomo ya tendría un tamaño de 1 km.-

Hasta la fecha se supone, que lo quarks y los electrones son los ladrillos fundamentales de la materia, estos no se pueden dividir más. Sin embargo no se está totalmente seguro, eventualmente los quarks están compuestos por sub-partículas más pequeñas aún. ¡El futuro nos lo dirá!

Muchos dirán, ahora hay que darle fin con el viaje a mundos cada vez más pequeños. ¿Justamente por esto, ya que los quarks ya no se pueden dividió más? ¡Por desgracia aún no hemos llagado al final de la escala!

Al final de nuestro viaje en el mundo de lo pequeño debemos dar ahora el salto más grande: Al mundo cuartico. Llegamos al límite inferior de la física, que está definido por el tal llamado largo de Planck, un trayecto de sólo 10ˆ-35 m algo más pequeño que tenga sentido no existe. ¿Pero que podemos realmente esperar  ver en estas escalas (realmente aquí no se puede ver nada, ni con la más sofisticada tecnología)?

Pero nosotros poseemos un súper microscopio imaginario y observamos el espacio “vacío” entre las partículas ya conocidas. Este vacío no es simplemente un espacio donde no hay nada, nos llaman la atención innumerables partículas. Son pares de partículas virtuales, compuestos cada uno de un electrón y un positrón o un fotón y un anti-fotón. Que para existir, pide prestados la necesaria energía, por decirlo asa, del vacío e inmediatamente la devuelven, aniquilándose entre si. La figura de abajo ilustra el proceso.  

University of Oregon/ Encyclopedia Britannica

Aquí no vemos in espacio “liso”, sino más bien una especie del “lago” agitado, en el cual constantemente se forman y desaparecen partículas virtuales, y por grande que sean, en comparación partículas reales, no se pueden ver ni “medirlos”. Puesto que en un proceso cómo este, solo por la observación adquirirían tanta energía, que de inmediato se convertirían en partículas reales y escaparían. A este lago efervescente   lo llamamos espuma cuántica y de él podemos imaginarnos a un vacío expuesto a constantes fluctuaciones. En el vació existe una cierta energía, que en un momento es positivo, y en el siguiente momento ya puede descender a valores negativos - representado por las partículas pares virtuales, este constante vaivén, ir y venir, resulta una estructura de tipo espumosa.  

 

Si ya llegamos tan abajo en el plano del largo de Planck, entonces debemos referirnos brevemente a las cuerdas. Si esta teoría es cierta, entonces todas las partículas se componen de hebras muy finas.

Altamente tensadas oscilan de un lado a otro cómo las cuerdas de una guitarra, de ahi su nombre. Según cuán rápida y de que manera oscilan, forman las diferentes partículas que ya conocemos.

Las cuerdas pueden aparecer como hilos abiertos como también en forma de bucles cerrados. Correctamente no se habla de la, sino de las teorías de las cuerdas, ya que hay varias teorías. Juntas se las llama la Teoría-M, según la cual ya no nos las tenemos que ver concuerdas oscilantes sino con branas (derivado de la palaba membrana). La desventaja de estas teorías es que para describirlas se necesitan 7 dimensiones adicionales, que estarían muy diminutamente  enrolladas. Además esta teoría no puede hacer predicciones comprobables. Pero finalmente de esto podría resultar una teoría de la gravitación cuántica, con la cual sería mucho más fácil entender los hoyos negros

Imágenes e informaciones   superstringtheory.com

Fuente: http://abenteuer-universum.de

Traducido del alemán por A. Gundelach