Equilibrio de flujo

Esta entrada trata de un concepto muy básico de la termodinámica, aunque es interesante conocerlo ya que nos dará una visión más amplia respecto a probabilidades en física. ¡Entra y descubre-lo!

Esta entrada trata de un concepto muy básico de la termodinámica, aunque es interesante conocerlo ya que nos dará una visión más amplia respecto a probabilidades en física.

Consideremos un sistema con partículas diversas, que no interactúan entre ellas más que chocando. Este sistema está dentro de una caja, por lo que las partículas chocan entre ellas y con las paredes. En otras palabras, tenemos un gas ideal en una caja. Dividiremos, de forma imaginaria, la caja en dos mitades iguales.

En teoría, por aleatoriedad, deberían estar las partículas esparcidas por la caja de forma más o menos homogénea. A veces puede ser que no haya una distribución uniforme, y que en una de las mitades de la caja se encuentren más partículas que en la otra mitad.

Supongamos que el número de partículas es increíblemente reducido, por ejemplo, 4 partículas. Hay diversas posibilidades: que haya dos partículas en cada mitad, tres en la primera y una en la segunda, una en la primera y tres en la segunda, y que haya cuatro en la primera o cuatro en la segunda (deberíamos tener en cuenta el que no es lo mismo que haya la partícula que llamaremos 1, y la 2, en una mitad, y la 3 y la 4 en la otra. Sería distinto que estuviera la 1 y la 4 en una, y la 2 y la 3 en otra, por ejemplo. Esto aumenta las distintas combinaciones). Nos centramos en el caso de que estén todas concentradas en una de las mitades. Vemos que es una posibilidad relativamente amplia de que así ocurra en algún momento, suponiendo el sistema como dinámico (cambiante).

¿Qué pasa si aumentamos el número de partículas? Podemos ver que, al aumentar las distintas configuraciones posibles, se mantienen únicamente dos opciones por las cuales todas las partículas están en una mitad o en otra. De aquí podemos deducir que hay una relación entre el número de partículas del sistema N, y la probabilidad de que estén acumuladas en una mitad. Además dicha probabilidad es exponencial inversa, por lo que crece de forma acelerada cuanto más partículas hay.

Por poner un ejemplo claro, teniendo en cuenta que con 4 partículas había bastantes posibilidades de que sucediera lo antes descrito, si contemplamos 80 partículas, las probabilidades son casi nulas. Si pudiéramos filmar el sistema, y ver en qué posición están las 80 partículas en cada segundo, necesitaríamos un tiempo mayor al tiempo que tiene el universo, para tener la oportunidad (estadísticamente) de contemplar como se han agrupado todas en una mitad. Por lo que podemos afirmar que, es extremadamente difícil que se dé dicha situación jamás.

Concretamente la fórmula de la probabilidad es: P=1/2^N, que se lee: pe igual a uno partido por dos elevado a N (siendo N el número de partículas totales). El dos corresponde a las dos mitades.

Esto tiene implicaciones interesantes a escala de todo el universo. Hay sucesos que podrían ocurrir, pero como hemos visto, pueden tener unas probabilidades muy reducidas. Podemos extraer que la aleatoriedad o el caos, son predominantes en estos sistemas termodinámicos, y que hay situaciones “especiales” que requieren seguramente de alguna acción para que ocurran, ya que las posibilidades de que ocurran de forma espontánea son casi nulas.

¿Existe la posibilidad que, de forma aleatoria, se haya creado un edificio perfecto con sus ventanas y todo en la Luna? Posible es, pero probable para nada. Estas apreciaciones son muy útiles en ciencia, para discernir qué es posible y qué no, siendo pragmáticos ya que siendo extremadamente correctos cualquier cosa puede ocurrir.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

Pequeña introducción a la física de partículas

En esta ocasión nos vamos a centrar en las partículas más básicas que hay y que se dividirán en fermiones y bariones ¡Entra y descubre-lo!

Al ser la física de partículas quizá una de las ramas más llamativas (el LHC del CERN en Ginebra, es un buen ejemplo, ya que es bastante conocido), me he decantado por hacer una pequeña introducción sobre las partículas fundamentales, qué son y cuales hay.

Para empezar, las partículas fundamentales son, partículas que hasta la fecha son las más básicas que hay (no están formadas por partículas aún menores). Se dividirían en fermiones y bariones.

 

Los fermiones (en morado, quarks y en verde, leptones) y los bosones (en rojo).

 

Vamos por los fermiones, o partículas de materia, deben su nombre al físico Enrico Fermi. Forman los nucleones (protones y neutrones). ¿Y el electrón? El electrón es en si mismo un fermión, no está formado por partículas menores. Dentro de los fermiones encontramos a los quark, de los cuales hay séis tipos: up (arriba), down (abajo), encantado (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom). Por otro lado tenemos a los leptones, entre los cuales se encuentra el ya mencionado electrón, entonces tenemos: electrón, muón y tauón (o simplemente mu y tau). Hay unos neutrinos, aún dentro de los leptones, que están asociados a cada leptón anteriormente citado: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.

Una asociación de quarks, forman los llamados hadrones. Estos a su vez se dividen en dos grupos, bariones y mesones. Los bariones (o partículas pesadas) están formadas por tres quarks. Tanto el neutrón como el protón son bariones, por lo que poseen tres quarks cada uno. Los mesones están formados por un quark y un antiquark (un antiquark es un quark con la misma vida media, masa y espín, pero con carga opuesta).

Pasando a los bosones, son partículas portadoras de fuerza. El concepto es bastante más abstracto que para los fermiones, comentar como curiosidad que los bosones tienen el espín entero, mientras que los fermiones lo tienen semientero (no definiré el concepto de espín pues me llevaría seguramente toda una entrada entera). Existen las partículas portadoras de la fuerza/interacción electromagnética, los fotones. Los bosones W y Z para la interacción nuclear débil (unión entre quarks), los gluones para la nuclear fuerte (unión entre nucleones, la usada en física nuclear) y el gravitón que es la hipotética partícula portadora de la interacción gravitatoria (no ha sido confirmada, pero puesto que dicha interacción existe parece razonable suponer que esta partícula exista también).

Como curiosidad, el bosón de Higgs que fue descubierto recientemente también es un bosón simple, y sería el encargado de proporcionar masa a las demás partículas. Así pues, se usa la terminología “campo” asociado a un bosón, y si una partícula interacciona con un determinado campo, significa que adquiere sus “propiedades”. Por ejemplo, un quark interacciona con un campo de Higgs, ya que tiene masa.

Espero que haya sido claro y comprensible, este pequeño inciso en física de partículas. No he abordado temas como el color o el sabor de los quarks, y muchos ejemplos son simples aproximaciones para entender un poco de qué trata el tema, y así debe ser pues el propósito de esta entrada era hacer comprender estos conceptos de forma amena sin usar terminología excesiva.

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn