Similitudes en el flujo de granos de arena y plasmas exóticos

Fecha de publicación en Astroseti: 10-Nov-2007

Los chorros de partículas granulares rebotando sobre un objetivo en un experimento de sobremesa producen un comportamiento similar al de un líquido también observado en los masivos aparatos de investigación que simulan el nacimiento del universo.

Autor de la traducción: Manuel Hermán Capitán

Un equipo liderado por Sidney Nagel y Heinrich Jaegerde de la Universidad de Chicago informa de este sorprendente hallazgo en el ejemplar del 27 de octubre al 2 de noviembre de la revista Physical Review Letters.

Imagen cortesía de Cheng Xiang, de la Universidad de Chicago

"La naturaleza gasta bromas y sabe como gastarlas una y otra vez", dijo Nagel, Profesor de Servicio Distinguido Stein Freiler de Física en Chicago. Nagel y Jaeger son coautores del artículo, junto con Xiang Cheng, estudiante graduado de física en Chicago; Germán Varas, estudiante graduado de física en la Universidad de Chile; y Daniel Citron, estudiante de física en Chicago.

Los científicos han logrado una buena comprensión de los fenómenos de equilibrio, los cuales son principalmente gobernados por la presión o temperatura. ¿Pero qué sucede con los fenómenos que están alejados de los estados de equilibrio, como un chorro de arena? ¿Qué pasa con el plasma de quark-gluón, la mezcla de partículas subatómicas que existieron tal vez durante unas pocas millonésimas de segundo tras el Bin Bang?

"Verdaderamente no sabemos cuales son las ideas correctas que describen esto", dijo Nagel. "Nos encanta la física de materia granular porque nos permite una entrada a esta pregunta con experimentos relativamente simples".

En el diseño del experimento de sobremesa, el equipo de Chicago abordó una pregunta fundamental sobre el equilibrio: ¿Bajo qué condiciones un conjunto de moléculas, granos de arena u otras partículas se comportan como un líquido? Las partículas macroscópicas y subatómicas a veces se comportan de formas similares. Las partículas del experimento de Chicago eran lo bastante grandes para permitir a los científicos seguir la pista bajo condiciones controladas con precisión, una opción no disponible a escala subatómica.

Un artículo publicado en 1883 que describía el fenómeno de la campana de agua inspiró el experimento del flujo de arena. El artículo informa de cómo un flujo de agua que impacta en un objetivo plano, estrecho y circular se transforma en la delgada y hueca forma de una campana. ¿Podría un flujo de material granular comportarse igual? Cheng, el estudiante graduado de Chicago, realizó un experimento para saberlo. Lanzó masas compactas de cristal y gotas de cobre a través de un tubo en un objetivo plano. "La respuesta es que en efecto se pueden ver estas campanas", dijo Jaeger, Profesor de Física. "Específicamente, encontramos que las colisiones rápidas de partículas densamente empaquetadas producen el estado líquido que podemos observar poco después, cuando todo vuela y se producen estas preciosas estructuras de envoltura". Los científicos han visto estructuras similares en los experimentos de plasma de quark-gluón llevados a cabo en el Laboratorio Nacional Brookhaven con el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC). El RHIC de 500 millones de dólares impacta átomos de oro entre sí a velocidades cercanas a las de la luz. Los experimentos de sobremesa de Chicago lanzan chorros de materiales granulares en un objetivo plano a no más de 19 km/h.

"No podía haber nada más distante que nuestros experimentos y los del RHIC", dijo Nagel. Por esta misma razón, el equipo de Chicago llevó a cabo sus pruebas bajo una variedad de condiciones para asegurar que las interacciones entre las partículas granulares y el aire no afecto a los resultados del experimento. "El ingrediente clave es la alta densidad de colisiones rápidas", dijo Jaeger.

Las similitudes entre el chorro granular y los experimentos del RHIC son sorprendentes dado que los científicos esperarían que la física cuántica dominase los resultados del último. La física cuántica domina los mundos atómicos y subatómicos. La física clásica, por su parte, se aplica a objetos mucho mayores de la vida cotidiana.

No obstante, los científicos del RHIC han interpretado sus resultados de una forma clásica. "Dicen que es un líquido. Ese es un concepto clásico. Entonces atribuyen a este líquido cosas como viscosidad. Bueno, eso es un concepto clásico", dijo Nagel. Algunos de estos fenómenos que aparecen a esta escala microscópica cuántica reproducen los que ocurren en la escala clásica.

"Eso es lo sorprendente de la física. Las leyes que tienes en un nivel son verdaderamente las mismas que a otros niveles, o al menos influyen lo que ocurre a otros niveles. Ciertos principios son simplemente invariantes. La conservación de momento y energía — no puedes escapar de eso a ninguna escala".

Traducido y editado por el equipo de Astroseti.
Colaboradores:
- Manuel Hermán Capitán
- Vicente Díaz