Neutrí, una partícula fantasma

L’any 2012 es va descobrir el bosó de Higgs, una partícula que es va anunciar com la partícula de Déu. Ara descriurem la història d’una altra partícula, el neutrí, encara que no es coneix gaire per la dificultat que representa detectar-la i estudiar-la. Els especialistes la descriuen com la partícula fantasma.

El nostre cos és travessat cada segon per milions d’aquestes partícules, però no sentim res. Ens travessen i prou, no interactuen. De fet, travessen el planeta, de banda a banda, sense interactuar. Caldria que un neutrí viatgés 2 anys per l’interior d’una peça de plom per ser aturada. 

El neutrí és una partícula subatòmica, sense càrrega elèctrica i molt poca massa. Tècnicament es defineix com un leptó, amb un spin d’1/2. Això vol dir que no l’afecta la força nuclear forta però sí la feble. Unes de les forces bàsiques de la natura, com la gravetat o electromagnetisme.

La història del seu descobriment va anar, més o menys, d’aquesta manera. Cap el 1896, Becquerel i Rutherford van descobrir la radioactivitat i la desintegració coneguda com beta (β). Però no arribaven a entendre el què passava en el trencament d’un nucli radioactiu en dues parts. Era com si els faltés energia en la reacció, com si l’haguessin perduda durant la reacció. No va ser fins el 1930 que en Wolfgang Pauli, físic austríac, (1900-58), hi va trobar una explicació. L’energia que els faltava corresponia a un neutrí, una nova partícula desconeguda, que s’emportava una part de l’energia de la reacció, però que no eren capaços de  detectar. 

Enrico Fermi va confirmar el 1933 que la proposta de Pauli s’adaptava a la teoria de la desintegració, però no va ser fins el 1956 que d’una forma experimental es va confirmar l’existència del neutrí. Els experiments van detectar fins a tres neutrins per hora. El 1962, altres experiments van descobrir que hi havia diferents tipus de neutrins i el 1967 es van començar a estudiar els neutrins que ens arribaven des del Sol. Aquí va sorgir un nou problema, doncs només es detectaven entre un terç i la mitat dels que predeia la teoria. Es va conèixer com el problema dels neutrins solars. Faltaven neutrins. El 2002 es confirma que només es detectava la tercera part. Ray Davis i Masatoshi Koshiba van guanyar part del Premi Nobel de Física per aquest motiu.

Segons el Model Estàndard de Física de Partícules, les partícules subatòmiques estan classificades en tres famílies, segons la seva massa, així els neutrins podien saltar de família, a una altra amb més massa, però allà no els buscaven els físics, i, lògicament, els trobaven a faltar. De fet tampoc es coneix amb certesa quina massa tenen, perquè no viatgen a la velocitat de la llum. Tanmateix ens falten detectors capaços d’analitzar aquests neutrins d’alta massa.

En l’actualitat hi ha construïts dos grans detectors de neutrins, el Superkamiokande al Japó i el DUNE a Estats Units. Estan ubicats en mines abandonades a més d’un quilòmetre sota el terra. A Candanchú (Osca) també existeix un lloc per estudiar-los, a dins del túnel de Canfranc.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 299 del novembre de 2024

Quant pesaries a Mart?

Abans de donar-te la resposta, hem d'entendre la raó per la qual pesaríem diferent que aquí a la terra.

En física hi ha dos conceptes que molt fàcilment ens porten a engany: pes i massa. Pels científics són dos termes completament diferents. La massa d’un cos és una mesura de la quantitat de matèria que conté. A més, la massa té una qualitat, la inèrcia. Un objecte amb massa, una pedra, necessita una empenta per a moure’s. Si està quieta, continuarà quieta i si està en moviment voldrà seguir en moviment, caldrà fer una mica de força per aturar-la.

El pes és diferent, cada objecte de l’Univers amb massa, atreu a tots els altres objectes amb massa. La quantitat d’atracció depèn de la mida de les masses i de la distància entre elles. Per a objectes de mida normal és molt petita, però l’atracció entre un objecte molt gran com la Terra i altre objecte, com tu, es pot mesurar molt fàcilment. Només cal pujar-se a una bàscula, aquesta escala, mostra la força d’atracció entre la Terra i tu, el teu pes.

De fet, hi ha una fórmula que els lliga : Pes= massa x gravetat

Al damunt del planeta Terra, el pes és la mesura en que la força de gravetat atreu els cossos contra el terra, i es calcula multiplicant la massa pel factor gravitacional.

La massa serà sempre constant en tots els planetes, el que variarà serà el pes en funció de la gravetat que afecti a cada planeta o cos celestial que visitem. La massa s’expressa en quilos i el pes en Newtons, en honor del descobridor de la fórmula de la gravetat.

Així una persona que pesi 70 kg (massa) tindrà un pes de 70 x 9,8 m/s² = 686 Newtons (Nw) al damunt del nostre planeta.

Si anem de viatge a Mercuri, gravetat 3,7 m/s², tindria una massa de 26,4 kg i un pes de 259 Nw.

A Venus, com que té una gravetat similar a la nostra, la massa seria de 63,4 kg.

Foto: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./
Arizona State Univ.

A Júpiter, un planeta gasós, i el major del nostre sistema solar, la massa seria de 177,3 kg, ja que la gravetat és més del doble que la nostra, 24,8 m/s². Als altres tres planetes gasosos, no superaríem aquesta massa, estaríem entre els 60 i els 80 kg de massa.

Si poguéssim viatjar a la superfície del Sol, la nostra massa seria de 1.895 kg. Per contra, damunt de la Lluna, només seria d’11,6 kg, perquè la seva gravetat és gairebé la sisena part de la terrestre. A les llunes de Júpiter la massa seria al voltant dels 10 kg.

Prepara’t per pujar de pes, fins a xifres astronòmiques. Anem a visitar un parell d’estrelles, una nana blanca i una de neutrons. A la primera la nostra massa seria de 91 milions de kg i a la segona de 9,8 bilions de kg.

Un estrella nana blanca de la massa del Sol tindria un mida com la de la Terra, però amb una densitat un milió de cops major. En el cas de l’estrella de neutrons la mida baixaria fins a ser una bola de 10 km de radi i la seva densitat un bilió de cops, un milió de milions. Una caixeta de mistos pesaria 3.000 milions de tones.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 298 de l'octubre de 2024

Un veïnat tranquil

M’estic referint a la posició del Sol dins de la nostra galàxia. Estem a una zona en que no hi ha massa densitat d’estrelles, la més propera la tenim a 4 anys-llum (al.) i si ho ampliem fins els 10 al. en trobarem nou estrelles més.

A la nostra regió la densitat d’estrelles és de 0,004 per cada a.l. cúbic. Segons aquest valor en un radi de 30 a.l. al voltant del Sol, trobaríem unes 460 estrelles. 

El fet d’estar prou separats de la resta d’estrelles ens ha donat una opció més gran de poder generar vida al  nostre planeta. Tenir poca densitat d’estrelles al nostre veïnat ha estat determinant. Si haguéssim estat vivint prop dels nucli galàctic, uns 25.000 a.l. més cap al centre, hauríem estat en una zona de major densitat d’estrelles i això és un risc. Al centre galàctic la densitat puja cinc-cent cops i podríem tenir una estrella a tan sols mig a.l..

Un risc en dos sentits, al trobar-se dues estrelles molt a prop, la possibilitat que per influència de la gravetat s’interfereixin en la formació dels seus discs planetaris és molt alta. La influència del Sol arriba fins a 1,5 a.l. de distància. Si haguéssim tingut una estrella similar a la nostra abans de 3 a.l. ens hauria afectat. El segon sentit seria el major risc que tindríem de ser afectats per un esdeveniment cataclísmic, com podria ser la mort i explosió d’una estrella massiva, com una supernova. Les seves ones expansives, formades per partícules amb alta radiació i raigs gamma i X, ens escombraria el planeta i desapareixeria tot rastre de vida superficial.

A la Via Làctia sembla que es produeix una explosió d’aquestes cada trenta anys de mitjana. Un esclat com aquest a menys de 30 a.l. de distància hagués sigut anorreador.

A la història de la Terra, en els seus 4.500 milions d’existència, estem segurs que s’han rebut aquesta mena d’impactes. Un dels registres que s’estudia és la detecció del Fe-60, un isòtop radioactiu del ferro que té una vida molt llarga i és fàcilment detectable. Això s’ha fet en dipòsits submarins de l’oceà Pacífic, confirmant que hi va haver una explosió d’una supernova propera fa uns 2-3 milions d’anys i altra fa uns 8 milions.

També sembla que una de les cinc grans extincions del planeta, la devoniana, fa uns 360 milions d’anys, va ser originada per l’explosió d’una supernova a uns 60 a.l. de distància. La seva capacitat destructora va esborrar la capa d’ozó amb la conseqüent exposició als raigs còsmics i ultraviolats.

Altre tipus de cataclismes són les explosions d’hipernoves ocasionades per la mort d’estrelles de massa entre 100-200 cops superior a la del Sol. Una explosió d’aquesta potència esterilitzaria una esfera de 6.000 a.l. al voltant del punt inicial. Afortunadament, les previsions dels científics només proposen una explosió així un cop cada milió d’anys a tota la galàxia sencera. Un fet com aquest és el principal candidat de ser el causant de l’extinció de l’ordovicià, fa 440 milions d’anys.

En resum, tenim molta sort de viure a un veïnat tranquil.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 297 del setembre de 2024

Qui dominarà l’espai?

L’espècie Homo Sapiens va aparèixer fa uns 300.000 anys. Però no va ser fins la dècada dels 50 del segle passat que es va fer el primer llançament d’un objecte a l’espai el 1957, l’Sputnik. Aquí va començar la cursa per dominar l‘espai. Totes les primeres fites les va guanyar l’extinta Unió Soviètica per davant dels Estats Units. Aquests només van ser davanters en arribar a la Lluna. 

Posteriorment, després d’un cert relaxament per voler anar a l‘espai, van sorgir nous països que apostaven per aquesta cursa. Podem citar, Xina, Índia, Japó i EAU, a més d’Europa amb la ESA.

A més, ara, han aparegut les empreses privades, que també lluiten per a situar-se per davant de les altres.

Estic segur que tots els països, i empreses citades diuen que és per un bé comú, per tota la humanitat, això d’anar a l’espai. Però no ho tinc tan segur. En la meva opinió el que volen és situar-se en un lloc avantatjat en aquesta cursa per garantir-se un drets. Com ha ocorregut sempre al planeta, i sinó, compareu amb la cursa per situar-se a l’Antàrtida.

Les Nacions Unides, el 1967, ja van redactar un Tractat de l'Espai Exterior, (Outer Space Treaty-OST) segons el qual s’han de regir les activitats dels Estats en l’exploració i utilització de l’espai ultraterrestre, inclosa la Lluna i altres cossos celestes. Al seu primer article diu «... en profit i interès de tots els països, ...i impliquin tota la humanitat».

Queda clar que no es pot demanar la propietat, però no diu res sobre l’opció de posar-hi un assentament a un d’aquest cossos per desenvolupar tasques de mineria o industrials. Ara, ja ens podem imaginar el següent pas, la defensa de les instal·lacions construïdes. Voleu dir que no anirem cap a una militarització, més o menys encoberta?

Però l’espai proper, la nostra atmosfera, està protegida?

Cada dia està més ocupada per andròmines llançades des del planeta. Les empreses privades, per ara, només nord-americanes i angleses (Space-X, Boeing, Blue Origin o Virgin), i potser, no gaire lluny xineses, no paren d’emplenar l’espai amb artefactes. La seva raó és que ho fan pel bé de la humanitat. Diuen que per facilitar les comunicacions entre tots els pobles. Ja veurem com acaba. Quan s’acabarà descobrint que hi ha més interessos militars que civils, que aquests emmascaren els altres. A la propera guerra?. Ja es va demostrar que tant a la guerra de l’Iraq com la d’Ucraïna els satèl·lits comercials van aportar un 80% de la intel·ligència militar.

L’altre problema que origina tanta ferralla a l’espai és la possibilitat de xocs entre ella. Actualment ja existeixen diversos centres de control per a fer seguiment de la brossa espacial. Podria ser que les òrbites baixes de la Terra estiguessin tan saturades de ferralla que fos molt difícil accedir a l’espai en el futur? Nosaltres, els terrícoles, tenim la paraula, podríem passar d’un escenari de ciència ficció a un de real.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 296 de l'agost de 2024

On comença l’espai?

 L’espai no és quelcom llunyà. El tenim a una hora de distància en cotxe, si el cotxe pogués pujar recte amunt. Aquesta frase dita per l’astrònom anglès Sir Fred Hoyle el 1979 al diari The Observer, defineix clarament quan a prop es troba l’espai, però, al temps, la dificultat que representa arribar-hi.

Tothom té molts clars els límits terrestres del seu municipi, i encara més clares les fronteres amb el país veí. Igual passa si parlem del mar, tots els països tenen clar fins a on arriben les seves aigües jurisdiccionals. Segur que existeixen diferències d’opinions entre ells i per aquest motiu es produeixen litigis i, fins i tot, guerres. 

De fet, existeix un Dret Internacional que ho avala, així, per exemple, les aigües internacionals no tenen un país que sigui, diguem-ne el propietari, són de tots els països. Amb l’espai aeri també els estats defineixen un espai aeri propi, però la pregunta seria: fins a on arriba aquest espai aeri?.

Aquí trobem el problema, com definir l’atmosfera. La forma més general la defineix com el conjunt de gasos que envolten un planeta i que s’hi mantenen lligats al mateix per la força de la gravetat. Ara bé, quan més ens allunyem de la superfície, els gasos que la formen, nitrogen i oxigen majoritàriament, es van diluint. 

Tècnicament hi ha tot un seguit de capes, troposfera (fins el 10-15 km), estratosfera (fins el 50 km), mesosfera (fins el 80 km). Més amunt encara trobem termosfera, exosfera i magnetosfera, però no es poden definir clarament. L’activitat del Sol també col·labora a embolicar la troca, ja que quan l’astre s’activa l’atmosfera s’escalfa, puja en alçada i quan es refreda es contrau, tot complicant la definició clara de les zones de canvi.

L’altre criteri que també s’utilitza és la definició de la Federació Aeronàutica Internacional (FAI) que fa servir la línia de Kármán i la situa a 100 km d’altitud sobre la superfície terrestre. Al voltant d’aquesta altura l’atmosfera es torna tan fina que és despreciable segons el concepte aeronàutic, a més es produeix un augment significatiu de la temperatura atmosfèrica i de la interacció amb la radiació solar.

Theodore von Kármán (1881-1963) fou un enginyer hongarès, el més gran especialista en aerodinàmica del segle XX. Va descobrir, cap els anys 1950, que qualsevol vehicle que intentès volar per sobre d’aquesta alçada de 100 km, per aconseguir la sustentació aerodinàmica necessària per poder mantenir el vol, hauria de volar més de pressa que la velocitat que li caldria per entrar en òrbita, a causa de l’escassa densitat de l’atmosfera a aquest nivell. En altres paraules l’aire és tan poc dens que si l’avió no vola molt de pressa, cau.

Aquest nivell de 100 km s’utilitza en l’actualitat per diferenciar el que és aeronàutica i astronàutica, o, en llenguatge menys formal, un pilot o un astronauta o cosmonauta.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 295 de juliol de 2024

Com és que mesurem el temps en minuts i segons?

Sembla que el motiu és molt humà. Per comptar necessitem alguna cosa que faci d’unitat i sembla ser que els sumeris ( 5.000 anys aC), ja es van fixar que utilitzant les falanges dels dits de la mà dreta, 3 a cada dit, podien arribar fins a 12 unitats. El polze l’utilitzaven per a fer el compte, però no sumava. Llavors amb els cinc dits de la mà esquerra acumulaven el compte. Així podien acumular fins a 60 unitats.  3 falanges a cada dit de la mà dreta x 4 dits mà dreta x 5 dits mà esquerra = 60

Així tenien un número que era molt pràctic, perquè es podia dividir per 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30 i 60, obtenint sempre un número sencer com a resultat.

D’altre banda, per mesurar el temps, només tenien el dia, la nit, la lluna i el Sol. La repetició de la posició de la Lluna els marcava els mesos i la posició del Sol els anys, amb força aproximació.

Cada 29-30 dies tenien un mes lunar i cada 360, uns 12 mesos lunars, un any, més o menys. Així que van decidir utilitzar la xifra 360 per als seus càlculs. Aquest valor també tenia molt divisors sencers.

La base era astronòmica, la rotació de la Terra era un dia, la rotació de la lluna a l’entorn de la Terra era un mes i la rotació de la Terra al Sol era un any. Tot estava lligat amb el número 360.

De la mateixa manera, el cercle també el van dividir en 360 parts. Cadascuna d’elles es va denominar grau. Així el sistema sexagesimal, basat en el número 60, va entrar a la trigonometria.

Per dividir el dia en parts van utilitzar el 12, així van definir 12 hores de dia i 12 hores de nit. Evidentment no eren equivalents, una hora de dia a l’hivern era molt més curta que una hora de dia a l’estiu. Només es complia els dies dels equinoccis, quan hi havia 12 hores de dia i 12 de nit. Aquest dia la línia del pla de rotació de la Terra i la del Sol, es tallen. Ja n’eren conscients, el què no sabien era com corregir-ho.

A les nits, utilitzaven clepsidres o rellotges d’aigua. Uns dipòsits amb marques als costats que, al passar l’aigua, per un foradet, d’un a l’altre, permetia establir el temps transcorregut i comptar les hores. També existien els rellotges de foc, que funcionaven cremant unes barres d’encens, com espelmes o altres blens, tots ben marcats amb graduacions que permetessin llegir el temps transcorregut.

Els primers rellotges mecànics van aparèixer al segle XIV a les torres de les catedrals. Aquests primers eren molt grossos. No tenien esfera ni busques, les hores eren indicades pel so de les campanes. Treballaven per la força de la gravetat sobre unes peses i tenien un error d’entre 15 i 30 minuts al dia. Quan es van idear les espirals, al segle XV, es va reduir la seva mida. Fins que Christian Huygens, científic holandès, no va aplicar, el 1656, el pèndol per millorar la precisió fins als 15 segons al dia, no es van atrevir a posar esfera i busques als rellotges. 

Al segle XIX ja tenien una precisió d’una centèsima de segon.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 294 del juny de 2024

La Ciència és cultura ?

Evidentment, la resposta és que sí.

Sense ciència la nostra civilització no hauria evolucionat. Una mostra clara es pot observar estudiant les diverses societats existents ara fa uns cinc segles. En aquells moments no s’apreciava gran diferència entre les civilitzacions existents a l’Àfrica, Àsia, Europa o Amèrica. Tots es movien més o menys dins d’uns mateixos paràmetres, tenien escriptura, nocions d’astronomia, i d’altres, ara, majoritàriament sota el control de la religió i els reis, però no tenien ni aigua corrent, ni clavegueram i la medecina estava basada en les herbes.

Ara bé, a Europa es va inventar la màquina de vapor (J. Watt 1769), va ser el primer pas de la revolució industrial. A partir d’aquest punt, Europa va començar a agafar velocitat i es va desenvolupar culturalment més que la resta de civilitzacions. Els europeus van començar a utilitzar màquines.

Amb això vull dir que la ciència va empènyer la cultura a avançar més ràpidament. A partir d’aquell  moment Europa va ser la impulsora de la cultura a nivell mundial. Havia nascut el coneixement científic.

Malauradament, avui en dia a la major part de la gent li costa associar ciència amb cultura. Quan preguntes quines activitats formen part de la cultura, surten temes com cinema, teatre, música, literatura, exposicions, festes majors, però en cap lloc anomenen la ciència.

Això mateix passa en els diaris i revistes, solen tenir dos apartats, el de cultura i el de ciència. El de la cultura reuneix tot el que hem esmentat abans i la part de ciència és la tecnològica. No som capaços d’entendre-ho com un tot. Sembla com en els estudis, o humanitats (lletres, es deia abans) o ciències. Avui en dia, el 59% dels universitaris són de lletres i el 41% de ciències, proporció similar a la resta d’Europa.

El químic i novel·lista britànic C. P. Snow, que a Les dues cultures (1959) va criticar la divisió entre la ciència i les humanitats, i va declarar que desconèixer la segona llei de la termodinàmica és una mostra d’ignorància tan gran com no saber res de Hamlet.

És clar que hem de gaudir d’una simfonia de Mozart, però també hem de saber com les vibracions que genera un violí, viatgen per l’aire, colpejant-ne les molècules, fins arribar al nostra timpà i que d’aquí, mitjançant un seguit d’ossets, arriben a ser transmeses per les terminals nervioses fins el cervell. Així es fa el progrés.

Com home amant de la ciència, em  sembla que hem de divulgar la ciència, hem d’aplicar sempre el mètode científic, i ho hem de fer d’una manera que sigui comprensible per la resta de la gent. Hem de fer arribar el missatge, no podem fracassar, o no podrem compartir la ciència amb el món .

Hem d’aconseguir que la societat identifiqui la ciència com un dels seus valors culturals. Cal que la societat incrementi el seu nivell cultural per tenir més coneixement i poder ser més autònom en la presa de decisions, per poder discutir amb una altra persona amb base. Cal reforçar la confiança en la ciència com fonament del desenvolupament cultural d’una societat.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 293 de maig de 2024