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¿Cómo sabemos que la Teoría de la Relatividad es correcta?

Seguramente todos hemos escuchado hablar de Albert Einstein, sin duda es uno de los físicos mas importantes de la historia y para muchos el mayor genio de todos los tiempos (en lo personal prefiero a Newton, pero queda a cuestión de gustos). Considero que estoy en lo correcto al afirmar que no existe persona en la tierra que tenga conocimientos básicos de ciencia y que no sepa quien es la persona de la siguiente imagen. 

Albert Einstein es un físico que en su época obtuvo un enorme reconocimiento de la sociedad y tanta fama como las actuales estrellas de cine o  de la música. No había lugar en el que una multitud de personas se acercaran a el para verlo mejor, intercambiar algunas palabras e inclusive obtener alguna fotografía del físico.

Pero no vamos a hablar acerca de su fama, vamos a hablar acerca de su obra, mas especificamente de su Teoría de la Relatividad, muchas personas han escuchado de esta revolucionaria obra, la idea general es fácil de comprender, pero adentrarse en sus variaciones y todo lo que implica dentro de la Física es algo que a muchos confunde con facilidad y a los que estamos familiarizados con ella nos causa ese nudo en la garganta al ver semejantes postulados.

Para muchos una simple obra teórica que no sirve de nada y que aun no ha sido comprobada, para muchos otros significa el futuro por develar junto con la mecánica cuántica.

La teoría de la relatividad, desarrollada fundamentalmente por Albert Einstein, pretendía originalmente explicar ciertas anomalías en el concepto de movimiento relativo, pero en su evolución se ha convertido en una de las teorías más importantes en las ciencias físicas y ha sido la base para que los físicos demostraran la unidad esencial de la materia y la energía, el espacio y el tiempo, y la equivalencia entre las fuerzas de la gravitación y los efectos de la aceleración de un sistema.

La teoría de la relatividad, tal como la desarrolló Einstein, tuvo dos formulaciones diferentes.

  • La primera es la que corresponde a dos trabajos publicados en 1906 en los Annalen der Physik. Es conocida como la Teoría de la relatividad especial y se ocupa de sistemas que se mueven uno respecto del otro con velocidad constante (pudiendo ser igual incluso a cero).
  • La segunda, llamada Teoría de la relatividad general (así se titula la obra de 1916 en que la formuló), se ocupa de sistemas que se mueven a velocidad variable.

La teoría especial de la relatividad no negaba las teorías de Newton o de Galileo, simplemente las corregía. La relatividad sólo se hacía evidente a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. A velocidades “normales”, las diferencias en los resultados al utilizar las transformaciones de Galileo y las transformaciones de Lorentz, son tan pequeñas que no se pueden detectar, y es por eso que las implicaciones de la relatividad especial nos parecen tan poco intuitivas. Pero si fuéramos capaces de generar una velocidad suficiente (digamos 3/4 de la velocidad de la luz, por ejemplo), empezaríamos a notar los efectos predichos por la relatividad:  

  • Los relojes en movimiento irían más lentos que los estacionarios (no porqué el reloj funcionara más despacio, sino por el tiempo en sí).  
  • Los objetos en movimiento se contraerían en la dirección del movimiento.  
  • Cuanto más rápido se moviera un objeto, más masa tendría. 

Estos efectos están presentes en nuestra vida diaria, pero son tan increíblemente pequeños que los podemos despreciar perfectamente. Ese es el porque de que las transformaciones de Galileo funcionan tan bien, y las podemos seguir utilizando en nuestros sistemas de referencia que se mueven con velocidades relativamente pequeñas.

 

Teoría de la relatividad especial

Los postulados de la relatividad especial son dos. El primero afirma que todo movimiento es relativo a cualquier otra cosa, y por lo tanto el éter, que se había considerado durante todo el siglo XIX como medio propagador de la luz y como la única cosa absolutamente firme del Universo, con movimiento absoluto y no determinable, quedaba fuera de lugar en la física, que no necesitaba de un concepto semejante (el cual, además, no podía determinarse por ningún experimento).

El segundo postulado afirma que la velocidad de la luz es siempre constante con respecto a cualquier observador. De sus premisas teóricas obtuvo una serie de ecuaciones que tuvieron consecuencias importantes e incluso algunas desconcertantes, como el aumento de la masa con la velocidad. Uno de sus resultados más importantes fue la equivalencia entre masa y energía, según la conocida fórmula E=mc², en la que c es la velocidad de la luz y representa la energía obtenible por un cuerpo de masa cuando toda su masa sea convertida en energía.

Dicha equivalencia entre masa y energía fue demostrada en el laboratorio en el año 1932, y dio lugar a impresionantes aplicaciones concretas en el campo de la física (tanto la fisión nuclear como la fusión termonuclear son procesos en los que una parte de la masa de los átomos se transforma en energía). Los aceleradores de partículas donde se obtiene un incremento de masa son un ejemplo experimental  muy claro de la teoría de la relatividad especial.

La teoría también establece que en un sistema en movimiento con respecto a un observador se verifica una dilatación del tiempo; esto se ilustra claramente con la famosa paradoja de los gemelos:

“imaginemos a dos gemelos de veinte años, y que uno permaneciera en la Tierra y el otro partiera en una astronave, tan veloz como la luz, hacia una meta distante treinta años luz de la Tierra; al volver la astronave, para el gemelo que se quedó en la Tierra habrían pasado sesenta años; en cambio, para el otro sólo unos pocos días”.

Teoría de la relatividad general

La teoría de la relatividad general se refiere al caso de movimientos que se producen con velocidad variable y tiene como postulado fundamental el principio de equivalencia, según el cual los efectos producidos por un campo gravitacional equivalen a los producidos por el movimiento acelerado.

La revolucionaria hipótesis tomada por Einstein fue provocada por el hecho de que la teoría de la relatividad especial, basada en el principio de la constancia de la velocidad de la luz sea cual sea el movimiento del sistema de referencia en el que se mide (tal y como se demostró en el experimento de Michelson y Morley [1]), no concuerda con la teoría de la gravitación newtoniana: si la fuerza con que dos cuerpos se atraen depende de la distancia entre ellos, al moverse uno tendría que cambiar al instante la fuerza sentida por el otro, es decir, la interacción tendría una velocidad de propagación infinita, violando la teoría especial de la relatividad que señala que nada puede superar la velocidad de la luz.

Tras varios intentos fallidos de acomodar la interacción gravitatoria con la relatividad, Einstein sugirió de que la gravedad no es una fuerza como las otras, sino que es una consecuencia de que el espacio-tiempo se encuentra deformado por la presencia de masa (o energía, que es lo mismo). Entonces, cuerpos como la tierra no se mueven en órbitas cerradas porque haya una fuerza llamada gravedad, sino que se mueven en lo más parecido a una línea recta, pero en un espacio-tiempo que se encuentra deformado por la presencia del sol.

Los cálculos de la relatividad general se realizan en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal, adoptado ya en la teoría de la relatividad restringida al tener que abandonar el concepto de simultaneidad. Sin embargo, a diferencia del espacio de Minkowsy y debido al campo gravitatorio, este universo no es euclidiano. Así, la distancia que separa dos puntos contiguos del espacio-tiempo en este universo es más complejo que en el espacio de Minkowsky [2].

Con esta teoría se obtienen órbitas planetarias muy similares a las que se obtienen con la mecánica de Newton. Uno de los puntos de discrepancia entre ambas, la anormalmente alargada órbita del planeta Mercurio, que presenta un efecto de rotación del eje mayor de la elipse (aproximadamente un grado cada diez mil años) observado experimentalmente algunos años antes de enunciarse la teoría de la relatividad, y no explicado con las leyes de Newton, sirvió de confirmación experimental de la teoría de Einstein.

Un efecto que corroboró tempranamente la teoría de la relatividad general es la deflexión que sufren los rayos de luz en presencia de campos gravitatorios (conocido como doblamiento de la luz). Los rayos luminosos, al pasar de una región de un campo gravitatorio a otra, deberían sufrir un desplazamiento en su longitud de onda (el Desplazamiento al rojo de Einstein), lo que fue comprobado midiendo el desplazamiento aparente de una estrella, con respecto a un grupo de estrellas tomadas como referencia, cuando los rayos luminosos provenientes de ella rozaban el Sol.

La verificación se llevó a cabo aprovechando un eclipse total de Sol (para evitar el deslumbramiento del observador por los rayos solares, en el momento de ser alcanzados por la estrella); la estrella fue fotografiada dos veces, una en ausencia y otra en presencia del eclipse. Así, midiendo el desplazamiento aparente de la estrella respecto al de las estrellas de referencia, se obtenía el ángulo de desviación que resultó ser muy cercano a lo que Einstein había previsto.

El concepto de tiempo resultó profundamente afectado por la relatividad general. Un sorprendente resultado de esta teoría es que el tiempo debe transcurrir más lentamente cuanto más fuerte sea el campo gravitatorio en el que se mida. Esta predicción también fue confirmada por la experiencia en 1962. De hecho, muchos de los modernos sistemas de navegación por satélite tienen en cuenta este efecto, que de otro modo darían errores en el cálculo de la posición de varios kilómetros.

Otra sorprendente deducción de la teoría de Einstein es el fenómeno de colapso gravitacional que da origen a la creación de los agujeros negros. Dado que el potencial gravitatorio es no lineal, al llegar a ser del orden del cuadrado de la velocidad de la luz puede crecer indefinidamente, apareciendo una singularidad en las soluciones. El estudio de los agujeros negros se ha convertido en pocos años en una de las áreas de estudio de mayor actividad en el campo de la cosmología.

 

Cómo se demostró la Teoría de la Relatividad 

En 1919 un equipo de investigadores británicos partió hacia la isla africana de Príncipe para probar que un físico alemán tenía razón. Albert Einstein había presentado la Teoría General de la Relatividad en 1915. El nuevo paradigma, de ser correcto, iba a cambiar radicalmente la forma de entender el universo.

La oportunidad para comprobar si Einstein estaba en lo cierto se presentó el 29 de mayo de 1919. Ese día, se produciría un eclipse de magnitud descomunal que recorrería varios países cercanos al ecuador. Duraría 6 minutos y 50 segundos (la duración máxima de un eclipse es de 7 minutos y 31 segundos) y daría la oportunidad de realizar un gran número de observaciones útiles para dirimir la controversia.

El Astrónomo Real, Sir Frank Dyson, planeó una misión doble. Un equipo que él mismo dirigiría partiría hacia la ciudad brasileña de Sobral y un segundo grupo observaría el eclipse desde la isla africana de Príncipe. Al frente de esta misión estaría el astrofísico Arthur Eddington, en aquellos años uno de los pocos que de verdad comprendían la teoría de la relatividad.

Para explicar su teoría, Einstein había planteado una situación hipotética en la que la línea de visión entre un observador en la Tierra y una estrella estuviese bloqueada por el borde del Sol. Si Newton tuviese razón, la estrella permanecería invisible, pero Einstein calculó que algo mucho más sorprendente sucedería. La fuerza gravitatoria solar doblaría el espacio a su alrededor, los rayos de la estrella seguirían ese camino curvado para rodear el Sol y llegarían sin problemas hasta el observador en la Tierra. El oportuno eclipse permitiría poner a prueba esta hipótesis al ocultar la luz solar; gracias a la Luna, los científicos británicos podrían fotografiar las estrellas cercanas al Sol que en condiciones normales quedan ocultas por el fulgor del astro.

La suerte de Eddington pareció desvanecerse conforme se acercaba el día. Llovió durante los 19 días previos al 29 de mayo y cuando comenzó el eclipse las nubes tapaban el Sol.

Durante 400 segundos, los científicos pensaron que su oportunidad se había desvanecido, pero entonces, cuando sólo faltaban 10 segundos para que se apartase la Luna, las nubes se retiraron y Eddington pudo tomar una sola fotografía.

Comparando esa única imagen con otras que había tomado cuando el Sol no estaba allí, el astrofísico inglés pudo calcular que la gravedad solar había provocado una deflección de la luz de aproximadamente 1,6 segundos de arco. El resultado coincidía con la predicción de la Teoría de la Relatividad General; Einstein tenía razón.

MAS RECIENTEMENTE

La misión Gravity Probe B  [3] de la agencia espacial estadounidense (NASA) comprobó dos predicciones de la teoría general de la relatividad del científico Albert Einstein, tras más de 40 años de haberse iniciado el experimento.

Con un costo de 760 millones de dólares, la nave propiedad de la NASA demostró que la fuerza de gravedad de los grandes cuerpos del Universo distorsiona el tiempo y el espacio, demostrando que la gravedad se produce cuando la masa curva el espacio y el tiempo, referidos al efecto geodésico, al mismo tiempo en el que demuestra la torsión que se produce en el espacio y tiempo debido a la torsión de los cuerpos, por lo que dos predicciones de la teoría de la relatividad de Einstein son comprobadas.

En su página oficial, la NASA publicó que la sonda espacial determinó ambos efectos con una precisión mayor a lo esperado por científicos, explicando que el comportamiento de GP-B hubiera sido otro si la gravedad no afectara al espacio y al tiempo, por lo que la teoría de Einstein es confirmada.

En conferencia de prensa publicada también en el sitio de la NASA, Francis Everitt, físico de la Universidad de Stanford y principal investigador del satélite Gravity Probe B, señaló que el proyecto iniciado hace más de 40 décadas, pudo demostrar que el Universo de Einstein, el tiempo y el espacio son deformados por la gravedad. La Tierra distorsiona ligeramente el espacio a su alrededor debido a la gravedad.

El científico ejemplificó el descubrimiento del físico mencionando que si la Tierra estuviera sumergida en miel, a medida que el planeta rote, la miel a su alrededor de arremolinaría, mismo efecto que ocurre con el tiempo y el espacio.

En el Universo de Einstein, el tiempo y el espacio son deformados por la gravedad. La Tierra distorsiona ligeramente el espacio a su alrededor, debido a su gravedad.

Si los giroscopios hubieran apuntado en la misma dirección siempre que estuvieran en órbita (…) Pero como confirmación de la teoría general de la relatividad de Einstein, los giroscopios experimentaron cambios mensurables en la dirección de su giro a medida que eran atraídos por la gravedad de la Tierra

La NASA detalló que el proyecto fue ideado por primera ocasión en 1959, como un satélite que orbitaba la Tierra y a través de la recopilación de información determinar la teoría de Einstein.

El lanzamiento de GP-B se registró hace 41 años, a una órbita de más de 600 kilómetros sobre la Tierra con cuatro giroscopios, ruedas de un aparato circular que gira en torno a un eje y que indica el movimiento y registra los cambios en su orientación.

Las tecnologías creadas para desarrollar la sonda gravitacional fueron usadas luego para elaborar los sistemas de posicionamiento global (GPS) y el cálculo de la radiación de fondo del Universo.

Ese cálculo es la base de la teoría del Big Bang y dio lugar al premio Nobel para John Mather [4], de la NASA.

Datos curiosos acerca de la Teoría de la Relatividad

  • Al crear su Teoría, Einstein no la llamó relatividad. La palabra nunca aparece en su trabajo original de 1905 : ”Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, y de hecho odiaba el término, prefiriendo el de “teoría de la invariación” (porque las leyes de la física parecen las mismas para todos los observadores –  y no hay nada “relativo” en ello).
  • ¿El continuo del espacio-tiempo? No, eso no es de Einstein. La idea del tiempo como cuarta dimensión se le ocurrió a Hermann Minkowski, uno de los profesores de Einstein, quién una vez le llamó “perro vago” a causa de su poco aprecio por las matemáticas.
  • El físico austriaco Friedrich Hasenöhrl publicó una variación de la ecuación: E = mc2 un año antes de que lo hiciera Einstein. (Pueden ver mas información en esta entrada: “El verdadero origen de E = mc^2”)
  • El trabajo que Einstein desempeñaba a jornada completa para la oficina suiza de patentes le forzaba a trabajar en la relatividad durante las horas en que nadie le observaba. Escondía los papeles en su atiborrada mesa de trabajo cuando se le acercaba algún supervisor.
  • El afecto también es relativo, o al menos para Einstein lo era. “Necesito a mi mujer, ella resuelve todos los problemas matemáticos por mi”, escribió Einstein mientras completaba su teoría en 1904. Para el año 1914, le ordenó “renunciar a tener toda clase de relación personal conmigo, ya que esto no es algo que se requiera de forma absoluta por razones sociales”.
  • Las leyes también son relativas. Según Einstein, nada viaja más rápido que la luz, pero el propio espacio no tiene esta limitación; inmediatamente después del Big Bang, la huida expansiva del universo logró aparentemente superar a la luz.
  • En retrospectiva, parece que Eddington modifico los resultados, descartando las fotos que mostraban el resultado “incorrecto” de la Teoría de la Relatividad, aunque esto quizás solo sea un mito.
  • A día de hoy comprendemos tan bien la relatividad general que la usamos para pesar galaxias y para localizar planetas distantes por la forma en que doblan la luz.

 

Si aún no te aclaras demasiado con las ideas de Einstein prueba con esta explicación dada por el propio interesado:

“Pon tu mano en una estufa durante un minuto y te parecerá una hora. Siéntate junto a una chica bonita durante una hora y te parecerá un minuto. Eso es la relatividad”.

REFERENCIAS |

El protón es mas pequeño de lo que pensábamos

No es nada fácil medir el radio de un protón, porque los quarks que lo componen no dejan de interaccionar. Aun así, la comunidad científica ha fijado unos valores con los datos de complicados métodos de medición, pero los resultados difieren si se usan otras técnicas. Un equipo europeo ya apuntó hace unos años que el protón es más pequeño de lo establecido y ahora lo vuelve a confirmar con un nuevo estudio que publica Science.

El electrón es una partícula como un punto, cuyo tamaño se ha medido en menos de 10-20 m, pero el protón, por el contrario, es una partícula compuesta de otras más pequeñas y fundamentales: los quarks”, recuerda Aldo Antognini, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Garching, Alemania).

“Los quarks –dos up y un down por cada protón– se mueven e interactúan de forma muy dinámica entre ellos y el torbellino que forman es el que da lugar al tamaño del protón”, explica el investigador.

Antognini y otros colegas europeos y de EE UU presentan esta semana en Science un estudio que señala que el protón es más pequeño de lo que se cree. Los resultados  confirman lo que el mismo equipo ya publicó en Nature en 2010: “El protón parece ser 0,00000000000003 milímetros menor de lo que pensaban los investigadores”.

En concreto, el denominado Committee on Data for Science and Technology (CODATA) establece un radio de carga para el protón de entre 0,87 y 0,88 femtómetros (1 femtómetro son 10-15 m), mientras que los nuevos resultados lo reducen a 0,84 femtómetros. El radio de carga eléctrica es la extensión media de la ‘nube’ que generan los quarks –que están cargados– al moverse.

Las diferencias parecen insignificantes, pero puede tener repercusiones físicas “serias”, según los expertos, ya que sugieren que quizá  haya un vacío en las teorías actuales de la mecánica cuántica. Además, los protones, junto a los neutrones, forman el núcleo atómico de cada átomo que existe en el universo.

El estudio también determina por primera vez el radio magnético del protón –0,87  femtómetros–. Este otro radio es la media de la distribución magnética dentro del protón, que viene dada por los momentos magnéticos de los quarks y las corrientes que producen al moverse.

Para llevar a cabo esta investigación, el equipo ha empleado la espectroscopia láser del hidrógeno muónico. El hidrógeno es el elemento más simple que existe, con un protón y un electrón, aunque en el experimento se sustituye este último por un muón –con carga negativa como el electrón pero con una masa 200 veces superior–.

De esta forma se puede medir mejor el protón, analizando determinadas transiciones que se producen en los estados de este hidrógeno ‘exótico’. Antognini ha adelantado a SINC que su grupo tiene previsto investigar también con átomos de helio muónico.

Por su parte, los valores establecidos por CODATA se basan en otras técnicas: espectroscópica del átomo de hidrogeno –el normal, no muónico– y cálculos de electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés) para analizar la dispersión de carga entre el protón y el electrón.

Algunos investigadores consideran que la interpretación de los resultados de cada método de medición puede estar detrás de las discrepancias. En cualquier caso, los científicos siguen debatiendo cuál de todas estas técnicas es la mejor para encajar las piezas del denominado ‘puzle del radio del protón”.

El objetivo final, descubrir el tamaño exacto de esta partícula esencial en el funcionamiento del cosmos.

Los átomos en los que un electrón está reemplazado por un muón (electrón muónico) se conocen como átomos muónicos. El muón es parecido al electrón en que tiene su misma carga negativa pero con una masa 200 veces superior.

Con un protón y un electrón se construye el átomo más ligero que existe, el hidrógeno  Si se sustituye el electrón del átomo de hidrógeno por un muón se obtiene el hidrógeno muónico. Qué importancia tiene esta sustitución?. Pues sirve para obtener las dimensiones del protón y en consecuencia las dimensiones de todo el cosmos.

El protón puede considerarse como el ladrillo fundamental de la construcción de todo el universo. Pero muchas de sus propiedades, su tamaño y su momento magnético anómalo no están muy bien comprendidas. Para determinar el tamaño del protón, se considera como si todo su carga estuviera concentrada en una esfera de radio rp. Y para medir este radio se ha utilizado la interacción del electrón con el protón. Hasta hace poco las medidas más precisas sobre el radio del protón están dadas por la compilación de las constantes físicas CODATA. Se basan en la aplicación de las medidas espectroscópicas del átomo de hidrógeno junto con los cálculos de la electrodinámica cuántica (QED) del estado fundamental del hidrógeno  El valor es 0,8768(69)·10-15 m que indicamos por 0,8768(69) fm, donde fm indica fentometros, una abreviación para 10-15 m.

En 1913 Niels Bohr presentó una teoría del átomo de hidrógeno partiendo de un principio clásico pero introduciendo la característica de que el momento cinético esta cuantificado, esto quiere decir que es igual a h/2π, donde h es la constante de Planck.

Partiendo de la mecánica Newtoniana, el electrón gira en torno del protón con una velocidad v y se encuentra sometido a la fuerza de atracción eléctrica, esto determina el tamaño del átomo de hidrógeno.

La condición cuántica sobre el momento cinético indica lo siguiente

Juntando las dos ecuaciones obtenemos el radio del átomo de hidrógeno RH

A partir de aquí Bohr fue capaz de explicar el espectro del átomo de hidrógeno. La teoría coincidía plenamente con la experiencia. La condición cuántica era extraña en la física clásica pero daba resultados. Hay que decir que esta teoría planetaria de los átomos no se debe aceptar, está muy equivocada. El hecho de que de buenos resultados en el átomo de hidrogeno es una casualidad. Esta casualidad hizo posible que Bohr se animara a continuar por este camino cuántico e impulsara a los demás a crear una teoría cuántica de los átomos.

El desarrollo de la física avanzó rápidamente a partir de estos descubrimientos hasta llegar a dos teorías matemáticas de la física cuántica: la mecánica matricial de  Werner Heisenberg en 1925 y la mecánica ondulatoria de Erwin Schrödinger en 1926. Poco más tarde el propio Schrödinger demostró que tanto la visión matricial como la ondulatoria eran una misma teoría pero vestidas con matemáticas diferentes.

Pues bien, volvamos al radio del átomo de hidrógeno  comprobaremos que es inversamente proporcional a la masa del electrón. Esta es la clave para estudiar al protón y aquí es donde entra en juego el muón (µ) que es 206 veces más masivo que el electrón. A partir de los datos de CODATA:

Si en lugar de observar el espectro del átomo de hidrógeno (protón + electrón) podemos observar el espectro del hidrógeno muónico (protón + muón), el radio del hidrógeno muónico será unas 206 veces menor y por tanto la interacción muón-protón será mucho mayor y más precisa. La longitud de onda también es inversamente proporcional a la masa y por tanto la longitud de onda del muón es 206 veces más pequeña que la del electrón.

Esto significa que la función de onda del muón se superpone con la del protón (206)3 » 10veces más que la del electrón en el átomo de hidrógeno  Así pues, el muón en el hidrógeno muónico se encuentra 206 veces más cerca del protón y además las medidas son mucho más precisas que con el electrón, por tanto se pueden obtener mejores resultados sobre el tamaño del protón. Las siguientes imágenes intentan ilustrar este parágrafo.

Átomo de hidrógeno

Hidrógeno muonico

Este experimento lo realizo un grupo de 32 científicos presididos por Randolf Pohl en el Instituto de Óptica Cuántica Max Plank. La idea es medir el salto energético entre dos niveles cuánticos, los cálculos dan:

El primer término de la ecuación es debido a la polarización del vacío, el segundo y tercer término son las contribuciones al tamaño finito del protón.

Utilizando un láser pulsante, el equipo mesuro los niveles de energía del hidrógeno muónico y los resultados experimentales dan el siguiente resultado:

Sustituyendo en los cálculos se obtiene el siguiente valor para el radio del protón rp = 0.84184 (36) fm. Así pues, parece que el protón es 0.00000000000003 milímetros más pequeño, cerca de un 4% menor que los últimos experimentos. La diferencia es infinitesimal, pero los protones son las partículas más comunes y junto a los neutrones forman el núcleo atómico de cada átomo del universo. Parece como un pequeño punto de carga positiva. Pero en sus entrañas es mucho más complejo, cada protón está formado por partículas fundamentales denominadas quarks.

Les explico a continuación como el protón puede considerarse el ladrillo fundamental de la construcción cósmica. No hay duda que la fuerza principal del Universo es la fuerza gravitatoria, podemos ponerla en relación con la otra fuerza fundamental, la electromagnética.

Para realizar la comprobación utilizamos dos protones. La fuerza de atracción gravitatoria entre dos protones es 10-36 veces menor que la fuerza eléctrica de repulsión. Por eso en física atómica se ignoran los efectos gravitatorios. Pero la fuerza de gravedad siempre tiene el mismo signo negativo, es  de atracción. En cambio la fuerza eléctrica puede ser de atracción y repulsión, dependiendo de los signos de las cargas, positiva o negativa.

En un cuerpo macroscópico las fuerzas de atracción y repulsión eléctricas pueden cancelarse y quedara solamente la fuerza de atracción gravitatoria, que puede llegar a ser muy importante para cuerpos masivos. Es el caso de los planetas, estrellas y cúmulos globulares.

La energía gravitacional de una partícula orbitando un objeto de masa M a una distancia r depende de M/r. Si tenemos N átomos juntos formando una esfera, la masa M de esta esfera hipotética será proporcional a N y por tanto la energía será proporcional a N/r. Puesto que es una esfera el radio será proporcional a N1/3, recuerden que el volumen de una esfera es proporcional al cubo de su radio y el volumen es proporcional a N.

Entonces la energía es proporcional a N/N1/3 = N2/3 . A medida que la cantidad de átomos aumenta, la fuerza de la gravedad va aumentando. Por cada 1000 átomos la energía gravitatoria aumenta un factor 100. Así pues, tenemos que la cantidad de átomos N será proporcional a la energía gravitatoria

Cuando N sea mayor que

la fuerza de la gravedad será dominante. Este simple argumento nos da una idea de porque las estrellas son tan masivas. Un objeto que contiene más de 1054 átomos de hidrógeno o protones (esto es 2·1027 kg) se comprimirá por el efecto de la fuerza de atracción gravitatoria, hasta que se enciende la fusión termonuclear en su centro y esta energía compensa el colapso gravitacional. Por ejemplo, Júpiter tiene una masa de 1,899·1027 kg, por poco no se convierte en una estrella.

Pero si la cantidad de protones es superior a 1057 no hay ninguna fuerza que pueda compensar el colapso gravitatorio y se forma un agujero negro.

Estas y otras relaciones numéricas se muestran en el siguiente diagrama. En vertical la masa de un objeto respecto la masa del protón y en horizontal el radio del objeto respecto el radio del protón en escala logarítmica.

La colaboración internacional
Este proyecto es el fruto del esfuerzo de colaboración entre científicos de 32 instituciones diferentes en los distintos países.Algunas de las contribuciones más importantes incluyen:
– El Laboratorio Kastler Brossel (ENS París / UPMC / CNRS) de Francia.
– El Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Alemania.
– El Instituto Paul Scherrer (PSI), el Instituto de Física de Partículas del Instituto Federal de Tecnología de Zurich y el Departamento de Física de la Universidad de Friburgo en Suiza.
– El Departamento de Física de la Universidad de Coimbra y Aveiro en Portugal,
– El Instituto für Strahlwerkzeuge y Dausinger y Giesen GmbH en Stuttgart, Alemania.

 INFORMACIÓN ADICIONAL: http://www.nature.com/news/shrunken-proton-baffles-scientists-1.12289

Un cráter marciano posiblemente albergó un lago

La sonda espacial MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), que está en órbita al Planeta Rojo desde 2006, ha permitido obtener nuevos indicios de la antigua existencia de agua líquida en la superficie de Marte.

Los nuevos indicios los ha obtenido el equipo de Joseph Michalski, del Instituto de Ciencia Planetaria en Tucson, Arizona. Michalski y sus colaboradores han hecho un análisis de datos espectrométricos reunidos por la MRO. Esta sonda de la NASA hizo observaciones cruciales del fondo del cráter McLaughlin. Dicho cráter mide 92 kilómetros (57 millas) de diámetro y alcanza 2,2 kilómetros (1,4 millas) de profundidad.

Todo apunta a que el cráter albergó un lago, alimentado por aguas subterráneas.

En el fondo del cráter hay rocas que contienen minerales de carbonato y de arcilla que se forman en presencia de agua. El cráter McLaughlin carece de cauces fluviales grandes que pudieran haber servido para conducir agua a su interior. Sí hay pequeños canales que nacen en el borde de la pared del cráter, pero terminan cerca del nivel que pudo haber marcado la superficie del lago.

En su conjunto, éstas y otras características sugieren que los citados minerales de carbonato y de arcilla se formaron en un lago cuyo lecho era el cráter (que constituía una cuenca cerrada) y que estaba alimentado por aguas subterráneas

[Img #11654]

Ese lago, y el medio acuático subterráneo del que se abastecía de agua, pudieron ser sitios aptos para albergar formas de vida.

El cráter McLaughlin está situado en el extremo bajo de un terreno con pendiente, el cual mide varios cientos de kilómetros de longitud y se halla en el lado oeste de la región marciana conocida como Arabia Terra. Al igual que en la Tierra, las ubicaciones marcianas más probables para lagos alimentados por aguas subterráneas son las que tienen poca elevación con respecto al terreno circundante. Por lo tanto, en ese aspecto la ubicación del cráter McLaughlin también encaja a la perfección con la teoría de que albergó un lago.

Conforme se avanza en la exploración del Planeta Rojo, más complejo se revela este mundo, y mayores resultan ser sus similitudes con la Tierra.

INFORMACIÓN ADICIONAL : http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013-028

Un nuevo tipo de magnetismo ha sido descubierto

Nuevos experimentos han demostrado la existencia de un nuevo tipo de magnetismo, el cual podría aplicarse al desarrollo de nuevas memorias de ordenador.

Sobre la base de predicciones teóricas anteriores, unos investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ahora han demostrado experimentalmente la existencia de un nuevo tipo de comportamiento magnético, que se suma a los dos estados de magnetismo que ya se conocían.

  • El ferromagnetismo, o sea el magnetismo simple del típico imán permanente o la aguja de una brújula, se conoce desde hace siglos.
  • El antiferromagnetismo, los campos magnéticos de los iones dentro de un metal o aleación se anulan entre sí. El antiferromagnetismo es la base de los cabezales de lectura de los discos duros de la actualidad.

El equipo de Young Lee y Tianheng Han del MIT ha demostrado que hay un tercer estado fundamental de magnetismo.

Este estado corresponde a un material que es un cristal sólido, pero su estado magnético se describe como líquido: A diferencia de los otros dos tipos de magnetismo, las orientaciones magnéticas de las partículas individuales dentro de este material fluctúan constantemente, asemejándose al movimiento constante de moléculas dentro de un líquido real.

 

Cristal de herbertsmitita. 

Philip Anderson, un importante teórico, propuso por primera vez el concepto en 1987, afirmando que este estado podría ser relevante para los superconductores de alta temperatura.

El material en sí mismo es un cristal de un mineral llamado herbertsmitita. Lee y sus colegas lograron por primera vez obtener un cristal grande y puro de este material el año pasado, un proceso que tardó 10 meses, y desde entonces han estado estudiando sus propiedades en detalle.

Puede que transcurra bastante tiempo traducir esta investigación de física fundamental en aplicaciones prácticas. Pero el trabajo podría conducir a importantes avances en el almacenamiento de datos o en las comunicaciones. Los resultados también podrían ser relevantes para la investigación de superconductores de alta temperatura, y finalmente podrían conducir a nuevos desarrollos en ese campo.

A través de sus experimentos, el equipo hizo un importante descubrimiento, Lee dice: Encontraron un estado con excitaciones fraccionados, que había sido predicho por algunos teóricos sino que era una idea muy controvertida. Mientras más materia tiene estados cuánticos discretos cuyos cambios se expresan como números enteros, este material exhibe QSL fraccionada estados cuánticos. De hecho, los investigadores encontraron que estos estados excitados, llamados espinones, forman un continuo. Esta observación, se dice en el artículo de Nature, es “una notable primera”.

Dispersión de neutrones

Para medir este estado, el equipo utilizó una técnica llamada dispersión de neutrones, que es la especialidad de Lee. Para llevar realmente a cabo las mediciones, se utilizó un espectrómetro de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Md.

Los resultados, dice Lee, son “evidencia muy fuerte de esta fragmentación” de los estados de espín. “Esa es una predicción teórica fundamental para líquidos giro que estamos viendo de una manera clara y detallada para la primera vez.”

Se puede tomar un tiempo largo para traducir esta “investigación muy fundamental” en las aplicaciones prácticas, dice Lee. El trabajo podría conducir a avances en el almacenamiento de datos o comunicaciones, dice – tal vez usando un exótico fenómeno cuántico llamado entrelazamiento de largo alcance, en el que dos partículas muy distantes entre sí instantáneamente puede influir en los demás estados. Los resultados también podrían influir en la investigación de superconductores de alta temperatura, y en última instancia, podría dar lugar a nuevos avances en ese campo, dice.

“Tenemos que conseguir una comprensión más completa del panorama general”, dice Lee. “No hay una teoría que describa todo lo que estamos viendo”.

Información adicional: http://web.mit.edu/newsoffice/2012/mit-researchers-discover-a-new-kind-of-magnetism-1219.html

Medir con láseres la estructura interna de átomos sin distorsionarla

El mejor método para obtener la información más precisa sobre la estructura interna de átomos y moléculas es excitarlos por medio de una luz láser resonante. Por desgracia, esta luz láser, cuando supera cierta intensidad, puede dar lugar a modificaciones significativas dentro de la envoltura de electrones del átomo, de modo que el mero acto de hacer una medición puede introducir una distorsión en la misma.

Ahora, científicos de la Universidad Técnica Estatal de Rusia y Novosibirsk, el Instituto de Física Láser de Novosibirsk y la Universidad Estatal de Novosibirsk, todas estas instituciones en Rusia, así como el Instituto Nacional de Metrología en Alemania (PTB), han demostrado experimentalmente cómo evitar tal distorsión ejercida por la luz láser.

Esa distorsión se produce cuando la intensa luz láser modifica la posición de los niveles de energía atómicos. El desplazamiento depende de la intensidad y la longitud de onda del láser utilizado. Si el propósito de una observación es determinar las propiedades del átomo como un objeto cuántico no perturbado, este desplazamiento debe prevenirse o corregirse. Con el nuevo procedimiento, que se ha aplicado experimentalmente por primera vez en el PTB, una secuencia de pulsos láser cuidadosamente seleccionada para excitar al átomo elimina la citada distorsión.

La idea básica de la utilización de la radiación pulsante para efectuar mediciones de muy alta precisión se remonta a Norman Ramsey, quien fue galardonado con un Premio Nobel de Física en 1989 por este descubrimiento.

El nuevo método basado en una versión avanzada del concepto introducido por Ramsey puede también ser el primer paso hacia un notable aumento de precisión en algunos relojes atómicos, así como ser de utilidad para numerosas aplicaciones en las que resulte fundamental lograr una interacción precisa y controlada entre los átomos y la luz láser.

INFORMACIÓN ADICIONAL: http://www.ptb.de/en/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2012/pitext/pi121122.html

La partícula de Dios

El año pasado se llevo a cabo uno de los descubrimientos mas importantes de los últimos tiempos, quizás del siglo. El “descubrimiento” de la llamada partícula de Dios, el Bosón de Higgs. Para el mundo de la Física es un descubrimiento sorprendente y muy importante, inclusive muchos colegas han llegado a decir que es tan admirable como la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

Pero para muchas personas que no se dedican al mundo de la ciencia o que aun no tienen un conocimiento avanzado de la física se les hace confuso poder dar una definición exacta de lo que es el bosón de Higgs  de lo que todos si están seguros es que tiene relación con la gravedad, pero nada mas.

He aquí una explicación bastante simple y que sin necesidad de formulas físicas o matemáticas podremos entender perfectamente que es el bosón de Higgs:

Que es la partícula de Dios…??

Como todos sabemos los átomos tienen dos partes, el núcleo y los electrones que orbitan a su alrededor. Los núcleos a su vez están formador por protones y neutrones y estos últimos están compuestos de unas partículas mas pequeñas llamadas quarks.

El Atomo

La materia que nos rodea esta formada por unas partículas que los físicos llaman fundamentales. entre ellas están los electrones y los quarks. Los electrones tienen otras partículas hermanas que comparten sus propiedades y que son mas pesadas, el muón y el tau. Ademas tenemos los primos del electrón, el muón y el tau, los llamados neutrinos. Los quarks forman partículas como los protones y los neutrones y otras mas exóticas.

Esto a grandes rasgos es lo que se conoce como el contenido de partículas del:

Modelo Estándar.

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Los físicos se encontraron con el problema de descubrir como se comportan las partículas fundamentales y tuvieron que diseñar una teoría para explicar ello. A esta teoría es a la que se le conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas.

El ME (Modelo Estándar) nos dice que las interacciones entre las partículas elementales se llevan a cabo por el intercambio de otras partículas. el nombre genérico de estas ultimas es Bosones Mensajeros.

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En una muy retorcida comparación podríamos imaginar como si fueran niños que se intercambian figurillas de acción para hacer amigos…. los Bosones (los mensajeros) y las partículas elementales serian los niños que interactúan cambiando figurillas. mas o menos, esto es lo que explica la teoría cuántica de campos.

En la naturaleza tenemos cuatro interacciones, que son la forma en la que tienen las particulas de relacionarse entre ellas:

  • El electromagnetismo: que se da entre cargas eléctricas.
  • La Interacción Débil: que puede cambiar el tipo de partícula (ejemplo: un quark d en un quark u, etc.)
  • La Interacción Fuerte: nos explica como se mantienen unidos los quarks entre si.

Como dije anteriormente son cuatro las interacciones, la que nos hace falta es la Gravedad, la que nos mantiene unidos al suelo y la que hace que los planetas orbiten alrededor del Sol. Pero resulta que el Modelo Estándar solo nos habla de las interacciones entre partículas que no son la gravedad. Algún día alguien tendrá que explicar ese detalle.

Bueno, el caso es que según el Modelo Estándar estas interacciones se llevan a cabo cuando dos partículas que interactúan intercambian los mensajeros apropiados.

  • En el caso del electromagnetismo dos cargas eléctricas intercambian fotones.
  • En la interacción débil pueden intercambiar mensajeros llamados W o Z.
  • Y en la interacción fuerte los quarks intercambian mensajeros a los que hemos llamado gluones. 

En un ejemplo mas fácil de entender, podemos imaginar que hay 2 niños y cada uno de ellos tiene en su frente una etiqueta con el signo menos (-). Ellos representaran cargas negativas y se lanzaran entre ellos una pelota amarilla que va a representar a un fotón.

-Que crees que pasara en ese caso con cargas del mismo signo…??

+Claramente se van a repeler entre si…!!

En el caso de los niños (ambos con carga negativa) seria como pedirles que se pasen la pelota (el fotón) cada vez mas fuerte y alto. Entonces ellos tendrían que alejarse cada vez mas para alcanzarla… se estarían repeliendo…!!!

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Ahora supongamos que le cambio la etiqueta a uno de los niños y le pongo una con el signo mas (+) o una carga positiva. En este caso seria como pedirles que se pasen la pelota (el fotón) cada vez mas despacio y mas bajo. Para poder alcanzarla tendrían que acercarse cada vez mas entre si. Se estarían atrayendo…!!!

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El fotón es una partícula de luz y siempre va a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero tiene una cosa que puede variar que es su energía y su momento. Pero la idea de las interacciones funciona básicamente igual.

Ahora que ya tienes una idea clara de las interacciones entre partículas ahora vamos a hablar del Bosón de Higgs…!!!

Los físicos se dieron cuenta hace tiempo que según el Modelo todas las partículas se moverían a la velocidad de la luz siempre. Si eso fuera así implicaría que las partículas no se podrían frenar hasta tenerlas en reposo frente a nosotros, que no podríamos medir su masa y que por tanto la masa en reposo de estas partículas seria 0.

Lo que significa que no pesaríamos nada…!! (El sueño de muchas mujeres, pero eso no viene al caso).

Eso es imposible como lo podemos comprobar fácilmente en la comodidad de nuestro hogar. Algunos físicos entre ellos el profesor Peter Higgs junto con otros, propusieron que en el Modelo faltaba un ingrediente.

Este ingrediente es el campo de Higgs. Podemos pensar en el campo de Higgs como una multitud de partículas,  las partículas de Higgs, que cuando interaccionan con otras partículas el efecto final que tiene es que les da masa…!!!

Pero como es que le da masa a las otras partículas el Higgs…??

Supongamos que conseguimos un sombrero mexicano de esos bien grandes y lo pongo en el suelo. Imaginemos que el punto que esta justo debajo del pico del sombrero mexicano nos dice que el valor del campo de Higgs es 0. Es decir, que no tenemos partículas de Higgs por ningún sitio.

Conforme nos alejamos del centro en cualquier dirección el valor del Higgs aumenta, aparecen partículas de Higgs, y lo hace igual en todas las direcciones. Digamos que es una situación simétrica.

El sombrero representa la energía que tiene el Higgs para cada uno de sus valores. Curiosamente cuando el campo de Higgs es 0 el valor de su energía es alto. Esto es muy curioso. Se espera que cuando no tiene algo de ese algo no tenga energía  el Higgs no se comporta así.

Supongamos que una canica (bolita de vidrio) representa todo el campo de Higgs. Si la ponemos en el pico del sombrero significa que el campo vale 0, no hay partículas  pero su energía es mas alta que si la pusiéramos en cualquier otro punto del sombrero.

Ahora si bien, la suelto desde el punto mas alto del sombrero, inevitablemente caerá…!!

Cuando la canica del Higgs esta en el pico del sombrero puede caer hacia cualquiera de los lados, todo lo ve simétrico, pero cuando cae, la simetría desaparece, ha elegido una posición en el ala del sombrero que es lo mismo que decir que el campo ha dejado de ser cero y pasa a tener un valor, aparecen las partículas de Higgs.

Campo de Higgs.

Los físicos demostraron que al pasar esto, al romperse la simetría, aparecería una partícula.  Esta es la partícula de Higgs y que tendría una masa distinta de cero. Resulta que esta partícula es capaz de interactuar con el resto de partículas  pero lo hace de una forma que cuando ve un fotón lo ignora y por eso el fotón se mueve a la velocidad de la luz.

Por eso dicen que el fotón no tiene masa en reposo. 

Pero cuando la partícula del Higgs se encuentra con un mensajero W, o un Z, o un quark, o un electrón interacciona con ellos teniendo el efecto de que estas partículas adquieren una masa no nula, o que es diferente de cero.

Desgraciadamente la teoría no dice exactamente que masa tendría la partícula aunque nos dice entre que valores podría estar. Por eso es que se construyo el LHC o Gran Colisionador de Hadrones.

Es un centro de Investigación construido cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. En sus 27 kilómetros de recorrido es donde se hacen chocar protones que van muy rápido.  En estas colisiones se producen partículas que a su vez se desintegran en otras partículas.  Los físicos esperaban desde hace años que en algunas de estas colisiones se encontrara el Higgs.

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Y como saber si la partícula producida es el Higgs u otra cosa…??!!

Cuando se produce el Higgs este se desintegra en otras partículas. 

Los físicos aprendieron que una partícula de Higgs se podía desintegrar en dos fotones, en dos mensajeros Z y de otras formas.

Aprendieron a calcular con que probabilidad se desintegraría cada una de estas formas. Lo que hacen es producirse muchas colisiones en el LHC y ver cuantas veces se producen dos fotones, o dos Z, etc.

Luego comprueban si esto esta de acuerdo en lo que sabemos que tiene que producir un Higgs.

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¿Debería importarnos el descubrimiento del bosón de Higgs?

Sin esta partícula y su campo, nada en el universo tendría masa, solo partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz. El Modelo Estándar explica el 4% de toda la materia y energía del universo, aquellas que forman el universo visible, pero no dice nada sobre la materia oscura, que representa el 24% del cosmos.

Es lo que ocurre cuando uno llega a mitad de la fiesta, se encuentra con que todo el mundo está saltando y riendo, celebrándolo a lo grande, y uno se queda al margen preguntándose: ¿por qué estarán tan contentos?

Lo mismo ha ocurrido entre los físicos y el resto de la humanidad desde el 4 de julio del 2012, cuando la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) anunció el descubrimiento de una nueva partícula (aun falta bastantes cosas que aclarar y confirmar) que están un 99.99999999% seguros que es el bosón de Higgs. Pero aun queda ese 0.000000001% de que no lo sea.

Pero la lógica dicta que es seguro hablar de que la nueva partícula descubierta es el Bosón de Higgs.

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Que el Modelo Estándar sea una teoría correcta no significa que sea completa. De hecho, no lo es. Explica el 4% de toda la materia y energía del universo, aquellas que forman el universo visible. Pero no dice nada sobre la materia oscura, que representa el 24% del cosmos y que guía los movimientos de las galaxias. Y tampoco sobre la energía oscura, que tiene un efecto opuesto a la gravedad, que está acelerando la expansión del universo y que representa el 72% restante.

Los físicos esperan que, a medida que el Higgs revele sus secretos en los próximos años, permita ir más allá del Modelo Estándar y adentrarse en este universo oscuro. “El bosón de Higgs abre una puerta, pero aún no sabemos qué hay detrás”

El descubrimiento del Higgs culmina con éxito una de las aventuras de exploración más largas y ambiciosas de la historia de la ciencia. Ha sido medio siglo de búsqueda para comprender los engranajes que mueven el universo. 

Llegar al Higgs ha sido como llegar por primera vez al polo sur, a la cumbre del Everest o a la Luna. El Higgs “es un canto a la capacidad de la mente humana de descubrir los secretos de la naturaleza. Cambiará nuestra visión sobre nosotros mismos y nuestro lugar en el universo. Sin duda esto es lo que distingue a la gran música, a la gran literatura, al gran arte… y a la gran ciencia”.

Sin bosón y campo de Higgs, por lo tanto, nada en el universo tendría masa. Si hubiera algo, serían partículas sin masa moviéndose a la velocidad de la luz. No habría, por lo tanto, ni estrellas, ni átomos, ni nosotros los físicos preguntándose sobre el bosón de Higgs. 

Curiosamente, ni el bosón ni el campo de Higgs existían en la primera fracción de segundo después del Big Bang. Nacieron poco después por alguna irregularidad cósmica aún no aclarada, De no ser por aquella irregularidad, nada de lo que hace que el universo sea un lugar interesante -para nosotros por lo menos- se hubiera creado.

El descubrimiento del Higgs da sentido a lo que, de otro modo, sería incomprensible. Aunque de todos modos nos queda mucho por descubrir y aprender de este vasto, complejo, enigmático y bello Universo.

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