¿Big Bang?

 

“Entre 1927 y 1930, el sacerdote belga Georges Lemaître​ obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, esta teoría del Big Bang que dio lugar al comienzo del Tiempo, del Espacio y de la Materia, lo que tuvo lugar hace 13.800 millones de años.

                                                 

“El modelo estándar no trata de explicar la causa de este hecho en sí, sino la evolución del universo temprano en un rango temporal que abarca desde un tiempo de Planck (aprox. 10⁻⁴³ segundos) después del Big Bang hasta entre 300 000 y 400 000 años más tarde, cuando ya se empezaban a formar átomos estables y el universo se hizo transparente.¹⁴​¹⁵​¹⁶​ Una amplia gama de evidencia empírica favorece fuertemente al Big Bang, que ahora es esencial y universalmente aceptado.”

La expansión hizo que se enfriara y se volviera transparente al quedar libre los fotones

La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala.​ El modelo estándar afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y temperatura y luego se expandió.

Se expandió y doscientos millones de años más tarde, nacieron las primeras estrellas

 

Hablaremos ahora del Big Bang, esa teoría aceptada por todos y que nos dice cómo se formó nuestro universo y comenzó su evolución hasta ser como ahora lo conocemos. Se cree que a partir de una singularidad con densidad infinita, se produjo la gran explosión. Después de la expansión inicial, se enfrió para permitir la formación de partículas subatómicas y más tarde “simples” átomos.

                   

Nubes gigantes de los elementos primordiales se unieron debido a la Gravedad, y de esa forma se pudieron formar las primeras estrellas y más tarde las galaxias. La primera ecuación de Friedman describe todas estas épocas hasta el presente y el futuro lejano.

Alexander Friedman halló dichas ecuaciones a partir de las ecuaciones de campo de Einstein para la métrica de Friedman-Lamaitre-Robertson-Walker y un fluido con una densidad de masa  , , y una presión , , dadas. Las ecuaciones son:

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De acuerdo a esta teoría, el universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y desde entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, cuando la temperatura y la densidad eran infinitas.

La mayoría de los cosmólogos interpretan esta singularidad como una indicación de que la relatividad general de Einstein deja de ser válida en el universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

Con nuestro conocimiento actual de física de partículas de altas energías, podemos hacer avanzar el reloj hacia atrás a través de la teoría leptónica* y la era hadrónica** hasta una millonésima de segundo después del Big Bang, cuando la temperatura era de 10¹³ K. Utilizando una teoría más especulativa, los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10³⁵ s después de la singularidad, cuando la temperatura era de 10²⁸ K. Esa infinitesimal escala de longitud es conocida como límite de Planck,  = 10^{-35 m, que en la Ley de radiación de Planck, es distribuida la energía radiada por un cuerpo negro mediante pequeños paquetes discretos llamados cuantos, en vez de una emisión continua. A estas distancias, la gravedad está ausente para dejar actuar a la mecánica cuántica.}

La teoría del Big Bang es capaz de explicar la expansión del universo, la existencia de una radiación de fondo cósmica y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ K.

                                                         Se ha medido la inflación y el fondo de microondas cósmico

La radiación de fondo cósmica proporciona la evidencia más directa de que el universo atravesó por una fase caliente y densa. En la teoría del Big Bang, la radiación de fondo es explicada por el hecho de que durante el primer millón de años más o menos (es decir, antes del desacoplo de la materia y la radiación), el universo estaba lleno de plasma que era opaco a la radiación y, por tanto, en equilibrio térmico con ella. Esta fase es habitualmente denominada “bola de fuego primordial”.

Cuando el universo se expandió y se enfrió a unos 3000 ºK, se volvió transparente a la radiación, que es la que observamos en la actualidad, mucho más fría y diluida, como radiación térmica de microondas. El descubrimiento del fondo de microondas en 1.956 puso fin a una larga batalla entre el Big Bang y su rival, la teoría del universo estacionario de F. Hoyle y otros, que no podía explicar la forma de cuerpo negro del fondo de microondas. Es irónico que el término Big Bang tuvo inicialmente un sentido burlesco y fue acuñado por Hoyle, contrario a la teoría del universo inflacionario y defensor del estacionario.

• Es la era que comenzó cuando el efecto gravitacional de la materia comenzó a dominar sobre el efecto de presión de radiación. Aunque la radiación es no masiva, tiene un efecto gravitacional que aumenta con la intensidad de la radiación. Es más, a altas energías, la propia materia se comporta como la radiación electromagnética, ya que se mueve a velocidades próximas a la de la luz. En las etapas muy antíguas del universo, el ritmo de expansión se encontraba dominado por el efecto gravitacional de la presión de radiación, pero a medida que el universo se enfrió, este efecto se hizo menos importante que el efecto gravitacional de la materia. Se piensa que la materia se volvió predominante a una temperatura de unos 10⁴ K, aproximadamente 30.000 años a partir del Big Bang. Este hecho marcó el comienzo de la era de la materia.

De la radiación

Periodo entre 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 años después del Big Bang. Durante este periodo, la expansión del universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación). De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación.

La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual los partículas lentas dominaron la expansión del universo.

Era hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, como protones, neutrones, piones y kaones entre otras. Antes del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres. El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón. Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones. Inmediatamente después de esto el universo entró en la era leptónica.

Era Leptónica

Intervalo que comenzó unos 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del universo. Se crearon pares de leptones y anti-leptones en gran número en el universo primitivo, pero a medida que el universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas. La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación. El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ K, más o menos un segundo después del Big Bang. Después, los leptones se unieron a los hadrónes para formar átomos*

Así se formó nuestro universo, a partir de una singularidad que explotó expandiendo toda la densidad y energía a unas temperaturas terroríficas, y a partir de ese mismo instante conocido como Big Bang, nacieron, como hermanos gemelos, el tiempo y el espacio junto con la materia que finalmente desembocó en lo que ahora conocemos como universo.

El universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo (como he dicho) el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del universo se conoce como cosmología. Los cosmólogos distinguen al Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría física como por ejemplo, el universo de Friedmann o el universo de Einstein–de Sitter. El universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

El universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes.

Existe evidencia creciente de que el espacio puede estar lleno de una materia oscura invisible que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles.

Como ya quedó claro antes, el concepto más favorecido de origen del universo es la teoría del Big Bang, de acuerdo con la cual el universo se creó a partir de una densa y caliente concentración enorme de materia (una singularidad) en una bola de fuego que explotó y se expandió para crear el espacio, el tiempo y toda la materia que lo conforme. Todo ello ocurrió, según los datos de que se disponen, hace ahora aproximadamente 15.000 millones de años, o 15 eones (10⁹).

El universo se formó y apareció el tiempo y el espacio y la materia. Es lo que dice la teoría que antes hemos descrito. Sin embargo, hay muchas cuestiones que, por lo menos a mí, no han quedado claras y me llevan a preguntas tales como:

¿Cuántas partículas hay en el universo?

¿De dónde vino la sustancia del universo?

¿Qué hay más allá del borde del universo?

En realidad, no existen respuestas concretas para estas preguntas, porque para empezar no sabemos como es de grande el universo. Sin embargo, si podemos hacer algunas hipótesis.

Nadie sabe de dónde vino la sustancia del universo, no siempre la ciencia puede dar respuesta a todo, es la manera de regular los sistemas para obtener respuestas tras el duro trabajo del estudio, la investigación y el experimento. Hasta el momento nos falta información para contestar la pregunta.

Claro que siempre podemos especular. Isaac Asimov decía que por su parte, “la respuesta podía estar en la existencia de “energía negativa” que igualara la “energía positiva” ordinaria, pero con la particularidad de que cantidades iguales de ambos se unirían para dar nada como resultado” (igual que +1 y -1 sumados dan 0).

Y al revés: lo que antes era nada podría cambiar de pronto y convertirse en una pompa de “energía positiva” y otra pompa igual de “energía negativa”. De ser así, la pompa de energía positiva se convirtió en el universo que conocemos, mientras que en alguna otra parte, existiría el universo contrario, paralelo negativo.

Por mi parte, soy menos complicado y como rige el principio de la física conocida como Navaja de  Occam

,

creo en un camino más simple y sencillo: El universo, en sus comienzos, produjo enormes cantidades de partículas de materia y de antimateria, y el número de una y otra no era igual sino que, no se sabe por qué razón, las partículas positivas eran más que las negativas. Todos sabemos que un protón, cuando se encuentra con un antiprotón (materia con antimateria) ambos se destruyen. Una vez destruidos todos los pares materia antimateria, quedó el sobrante de partículas positivas que es la materia de nuestro universo.

De esa manera se formaron, con esas partículas positivas y los electrones (hadrones y leptones), se originaron grandes conglomerados de gas y polvo que giraban lentamente, fragmentándose en vórtices turbulentos que se condensaban finalmente en estrellas.

Estos conglomerados de gas y polvo podían tener extensiones de años luz de diámetro y, en algunas regiones donde la formación de estrellas fue muy activa, casi todo el polvo y el gas fue a parar a una estrella u otra. Poco o nada fue lo que quedo en los espacios intermedios. Esto es cierto para los cúmulos globulares, las galaxias elípticas y el núcleo central de las galaxias espirales.

Dicho proceso fue mucho menos eficaz en las afueras de las galaxias espirales. Las estrellas se formaron en números muchos menores y sobró mucho polvo y mucho gas.

                         Estamos en el interior del Brazo de Orión, una región tranquila de la Galaxia

Nosotros, los habitantes del planeta Tierra, nos encontramos en los brazos espirales de nuestra galaxia, estamos situados en la periferia a unos 30.000 años luz del centro galáctico y vemos las manchas oscuras que proyectan las nubes de polvo contra el resplandor de la Vía Láctea. El centro de nuestra propia galaxia queda oscurecido por tales nubes.

Estas nubes enormes de polvo cósmico es el material primario del que hacen las estrellas. Este material del que está formado el universo consiste en su mayor parte, como se ha dicho anteriormente, de hidrógeno y helio.  Los átomos de helio no tienen ninguna tendencia a juntarse unos con otros.  Los de hidrógeno sí, pero sólo en parejas, formando moléculas de hidrógeno (H₂). Quiere decirse que la mayor parte del material que flota entre las estrellas consiste en pequeños átomos de helio o en pequeños átomos y moléculas de hidrógeno. Todo ello constituye el gas interestelar, que forma la mayor parte de la materia que circula en el universo entre las estrellas.

El polvo interestelar o polvo cósmico, que se halla presente en cantidades mucho más pequeñas, se compone de partículas diminutas, pero mucho más grandes que átomos o moléculas, y por tanto deben contener átomos que no son ni de hidrógeno ni de helio, son átomos de materiales más complejos.

El tipo de átomo más común en el universo, después del hidrógeno y el helio, es el de oxígeno. El oxígeno puede combinarse con hidrógeno para formar grupos oxidrilo (HO) y moléculas de agua (H₂O), que tienen una marcada tendencia a unirse a otros grupos y moléculas del mismo tipo que encuentren en el camino, de forma que poco a poco se van constituyendo pequeñísimas partículas compuestas por millones y millones de tales moléculas. Los grupos oxidrilo y las moléculas de agua pueden llegar a constituir una parte importante del polvo cósmico.

En 1.965 se detectó por primera vez grupos oxidrilo en el espacio  y se comenzó a estudiar su distribución. Desde entonces se ha informado también de la existencia de moléculas más complejas que contienen átomos de carbono, así como de hidrógeno y oxígeno. El polvo cósmico contiene también agrupaciones atómicas formadas por átomos menos comunes y más complejos que los ya mencionados. Los materiales más pesados y complejos se fabrican en los hornos termonucleares, los núcleos de las estrellas, y cuando al final de su existencia como tales estrellas explotan en súper novas, estos materiales son lanzados al espacio a velocidades increíbles y siembra el vacío estelar de materiales complejos que más tarde sirven de material para formar nuevas estrellas de II generación.

En el espacio estelar se han detectado también átomos de calcio, sodio, potasio e hierro, observando la luz que esos átomos absorben.

Dentro de nuestro sistema solar hay un material parecido, aportado quizás por los cometas. Es posible que fuera de los límites visibles del sistema solar exista una conglomeración grande de cometas, y que algunos de ellos se precipiten hacia el Sol (atraídos por la gravedad). Los cometas son formaciones de fragmentos sólidos de metal y roca, unidos por una mezcla de hielo, metano y amoníaco congelados y otros materiales parecidos. Cada vez que un cometa se aproxima al Sol, se evapora parte de su materia, liberando diminutas partículas sólidas que se esparcen por el espacio en forma de larga cola. En última instancia, el cometa se desintegra por completo.

A lo largo de la historia del sistema solar se han desintegrado innumerables cometas y han llenado de polvo el espacio interior del sistema solar.  La Tierra recoge cada día miles de millones de partículas de polvo (“micro-meteoroides”). Los científicos espaciales se interesan por ellas por diversas razones; una de ellas es que los micro-meteoroides de mayor tamaño podrían suponer un peligro para los futuros astronautas y colonizadores de la Luna.

Cuando me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, etc.

Pensemos por ejemplo que un átomo tiene aproximadamente 10^{-8 centímetros de diámetros. En los sólidos y líquidos ordinarios los átomos están muy juntos, casi en contacto mutuo. La densidad de los sólidos y líquidos ordinarios depende por tanto del tamaño exacto de los átomos, del grado de empaquetamiento y del peso de los distintos átomos.}

De los sólidos ordinarios, el menos denso es el hidrógeno solidificado, con una densidad de 0’076 gramos por cm³. El más denso es un metal raro, el osmio, con una densidad de 22’48 gramos/cm³.

Si los átomos fuesen bolas macizas e incompresibles, el osmio sería el material más denso posible, y un centímetro cúbico de materia jamás podría pesar ni un kilogramo, y mucho menos toneladas.

Pero los átomos no son macizos. El físico neozelandés experimentador por excelencia, Ernest Ruthertord, demostró en 1.909 que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío. La corteza exterior de los átomos contiene sólo electrones ligerísimos, mientras que el 99’9% de la masa del átomo está concentrada en una estructura diminuta situada en el centro: el núcleo atómico.

El núcleo atómico tiene un diámetro de unos 10^{-15 cm (aproximadamente 1/100.000 del propio átomo). Si los átomos de una esfera de materia se pudieran estrujar hasta el punto de desplazar todos los electrones y dejar a los núcleos atómicos en contacto mutuo, el diámetro de la esfera disminuiría hasta un nivel de 1/100.000 de su tamaño original.}

De manera análoga, si se pudiera comprimir la Tierra hasta dejarla reducida a un balón de núcleos atómicos, toda su materia quedaría reducida a una esfera de unos 130 metros de diámetro. En esas mismas condiciones, el Sol mediría 13’7 km de diámetro en lugar de los 1.392.530 km que realmente mide. Y si pudiéramos convertir toda la materia conocida del universo en núcleos atómicos en contacto, obtendríamos una esfera de sólo algunos cientos de miles de km de diámetro, que cabría cómodamente dentro del cinturón de asteroides del Sistema Solar.

El calor y la presión que reinan en el centro de las estrellas rompen la estructura atómica y permiten que los núcleos atómicos empiecen a empaquetarse unos junto a otros. Las densidades en el centro del Sol son mucho más altas que la del osmio, pero como los núcleos atómicos se mueven de un lado a otros sin impedimento alguno, el material sigue siendo un gas.  Hay estrellas que se componen casi por entero de tales átomos destrozados.  La compañera de la estrella Sirio es una “enana blanca” no mayor que el planeta Urano, y sin embargo tiene una masa parecida a la del Sol.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. Ya hemos dicho antes que todos los protones tienen carga eléctrica positiva y se repelen entre sí, de modo que en un lugar dado no se pueden reunir más de un centenar de ellos. Los neutrones, por el contrario, no tienen carga eléctrica y en condiciones adecuadas pueden estar juntos y empaquetados un enorme número de ellos para formar una “estrella de neutrones”. Los púlsares, según se cree, son estrellas de neutrones en rápida rotación.

Estas estrellas se forman cuando las estrellas de 2 – 3 masas solares, agotado el combustible nuclear, no pueden continuar fusionando el hidrógeno en helio, el helio en oxígeno, el oxigeno en carbono, etc, y explotan en supernovas. Las capas exteriores se volatilizan y son expulsados al espacio; el resto de la estrella (su mayor parte), al quedar a merced de la fuerza gravitatoria, es literalmente aplastada bajo su propio peso hasta tal punto que los electrones se funden con los protones y se forman neutrones que se comprimen de manera increíble hasta que se degeneran y emiten una fuerza que contrarresta la gravedad, quedándose estabilizada como estrella de neutrones.

Si el Sol se convirtiera en una estrella de neutrones, toda su masa quedaría concentrada en una pelota cuyo diámetro sería de 1/100.000 del actual, y su volumen (1/100.000)³, o lo que es lo mismo 1/1.000.000.000.000.000 (una milmillonésima) del actual. Su densidad sería, por tanto, 1.000.000.000.000.000 (mil billones) de veces superior a la que tiene ahora.

La densidad global del Sol hoy día es de 1’4 gramos/cm³. Una estrella de neutrones a partir del Sol tendría una densidad que se reflejaría mediante 1.400.000.000.000.000 gramos por cm³. Es decir, un centímetro cúbico de una estrella de neutrones puede llegar a pesar 1.400.000.000 (mil cuatrocientos millones de toneladas).

¡Qué barbaridad!

El recorrido que nos ofrece la Ciencia es:

• 1El universo muy primigenio
  • 1.1La época de Planck: antes de a 10^–43 segundos
  • 1.2La época de la gran unificación: de 10^–43 a 10^–36 segundos
  • 1.3Inflación cósmica: de 10^–36 a 10^–33 segundos
    • 1.3.1Recalentamiento
    • 1.3.2Bariogénesis
• 2El universo primigenio
  • 2.1La época electrodébil: 10^–12 s
    • 2.1.1Ruptura de la supersimetría
  • 2.2La época del hadrón: 10^–6 – 10^–2 s
  • 2.3Nucleosíntesis: 1 s – 3 minutos
  • 2.4Dominación de la materia: 70 000 años
  • 2.5Recombinación: 300 000 años
  • 2.6Épocas oscuras
• 3Formación de estructuras
  • 3.1Reionización
  • 3.2Formación de las estrellas, 250 millones de años
  • 3.3Formación de galaxias, 670 millones de años
  • 3.4Formación de grupos, cúmulos y supercúmulos
  • 3.5Formación del sistema solar, 8000 millones de años
  • 3.6Hoy, 13 700 millones de años después
• 4Destino final del universo
  • 4.1Muerte térmica, 1-100 billones de años

Emilio Silvera V.

* Nucleones: partículas que constituyen los principales componentes del núcleo atómico (protones y neutrones).

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Nuestro mundo, aunque en la Galaxia existan muchos como él (ya han aparecido algunos casi iguales), es un lugar privilegiado que conforma un Ecosistema superior en su conjunto formado por muchos ecosistemas locales aislados los unos de los otros y sin embargo, todos conexionados. La Diversidad de regiones diferentes que existen dentro del mismo planeta es asombrosa y, lo mismo nos podemos encontrar en un lugar como ese que vemos arriba, o en una isla paradisíaca, una selva, un desierto, o perdidos en un inmenso y embravecido océano, en la ventisca de nieve de inmensas montañas y, también, en grutas enormes en las profundidades del planeta.

La NASA descubre el planeta más parecido a la Tierra hallado fuera del Sistema Solar.

Pero todos esos climas diferentes son el resultado de la diversidad y, en cada uno de esos lugares ocurren cosas y, la vida, aunque parezca imposible, está allí presente. Es la consecuencia de que el planeta Tierra esté situado en la zona habitable del Sol, ni demasiado cerca para que la vida perezca achicharrada, ni demasiado lejos para que resulte congelada por el frío. Aquí el agua discurre líquida y cantarina por multitud de lugares y hace posible que, entre el preciado líquido y los rayos del Sol que nos envían la luz y el calor necesarios para la fotosíntesis y la vida… ¡Podamos estar aquí!

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                            La Tierra, a pesar de lo que podamos creer, esconde muchos secretos

                                                

¿Qué es la Vida?

Nos preguntan en el título de este trabajo, y… ¡Tenemos muchas teorías y pocas certezas!

Claro que… ¡La Vifa es mucho, mucho, mucho muchísimo más! Le podemos dar mil vueltas y profundizar en lo que realmente la vida es, y, al final de todos esos estudios, lo que ralmente prevalece, esese “Ente” inmaterial que llalammos Mente y que es capaz de hacernos sentir.

Lo cierto es que no podemos contestar a esa pregunta con propiedad. Sabemos lo que son los seres vivos e incluso, es posible que existan algunas especies que estando vivas ni lo podamos saber ni las podemos detectar. Sabemos de los materiales que son necesarios para que la vida esté presente en nuestro Universo y, en éstas mismas páginas hemos expuestos amplios trabajos sobre el tema de la vida, su posible origen, de cómo se “fabrican” los materiales necesarios para su existencia en las estrellas… Se podría decir, sin andar muy lejos de la verdad, que la vida, es la materia evolucionada hasta el nivel de la consciencia (si nos referimos ala vida en su más alta expresión).

La anterior es una de las reflexiones más profundas y honestas de la biología moderna. La definición de “vida” sigue siendo esquiva, ya que la línea entre la materia compleja inerte y la materia viva es difusa.

 

                                   

Los meteoritos, como se ha podido demostrar en muchos estudios realizados sobre una diversidad de ellos, son portadores de aminoácidos necesarios para la vida. Recordemos aquí, por ejemplo:

                     ¿Estaban aquí las moléculas precursoras de la Vida, o, llegaron del Espacio?

 

        

 

“”El meteorito Murchison recibe su nombre de la localidad de Murchison, Victoria en Australia. Los Fragmentos del meteorito que cayeron sobre el pueblo el 28 de septiembre de 1969. El meteorito, una condrita carbonácea tipo II (CM2) contenía aminoácidos comunes como la glicina, alanina y ácido glutámico, pero también algunos poco comunes como la isovalina y pseudoleucina. El informe incial estableció que los aminoácidos eran racémicos, apoyando la teoría de que su fuente era extraterrestre. Se aisló también una mezcla compleja de alcanos que era similar a la encontrada en el experimento de Miller y Urey. La Serina y la treonina se consideran habitualmente como contaminantes terrestres y estos compuestos se encontraban notablemente ausentes en las muestras.”

Fragmento del meteorito Murchison y partículas individuales aisladas (se muestran en el tubo de ensayo).

 

                                  

 

“Más investigaciones encontraron que algunos aminoácidos estaban presentes en exceso enantiomérico. La homoquiralidad se considera una propiedad biológica única. Se ponían en entredicho algunas afirmaciones sobre la base de que los aminoácidos que entran en las proteínas no eran racémicos en el meteorito, mientras que el resto si lo eran. En 1997 las investigaciones mostraron que los enantiómeros individuales de Murchison estaban enriquecidos con el isótopo ¹⁵N del nitrógeno en comparación con sus correspondientes terrestres, lo que confirmaba una fuente extraterrestre del exceso del enantiómero L-enantiomer en el sistema solar. A la lista de materiales orgánicos identificados en el material del meteorito se le añadió el poliol en 2001″

                                                                    

                                                                Par de granos del meteorito Murchison.

“Abundando en la idea de que la homo-quiralidad (la existencia de solo aminoácidos de la serie L y azúcares de la serie D) fue provocada por la deposición de moléculas quirales de los meteoritos, la investigación demostró en 2005 que los aminoácidos como la L–prolina es capaz de catalizar la formación de azúcares quirales. La catálisis es no lineal, lo que significa que la prolina en un exceso enantiomérico del 20% produce una alosa con un exceso enantiomérico del 55% comenzando con el benziloxiacetaldeido en una reacción secuencial de tipo aldólica en un disolvente como el DMF. En otras palabras una pequeña cantidad de aminoácidos quirales podrían explicar la evolución de los azúcares de serie D.”

Muchos de los meteoritos hallados en la Tierra y venidos del espacio exterior traen muestras de la materia necesaria para la vida

Imagen: Fotografía de uno de los fragmentos del meteorito. Las muestras fueron recuperadas para su análisis en un estudio financiado por la NASA | H. Siegfried Via ABC.  La teoría de la Panspermia, que defiende la aparición de la Vida en la Tierra como consecuencia de la llegada a nuestro planeta procedente del espacio exterior de las primeras formas de vida, tiene otra prueba a su . No es la primera vez que se descubren aminoácidos en un meteorito. Anteriormente, científicos del centro Goddard de Astrobiología los habían encontrado en las muestras del cometa Wild-2 y en varios meteoritos ricos en carbono.

 

                 Sí, ella también está basada, como todos los animales vivos de la Tierra, en el Carbono

Aunque parezca amorfo y feo en algunas de sus formas y estados, el Carbono puede llegar a conformar las cosas más bellas, tales como… ¡La Vida!

Cada cosa viviente está hecha de carbono. Está en nuestra atmósfera, en la corteza de la tierra y en los cuerpos de las plantas y animales. respiramos, exhalamos dióxido de carbono. Cuando las plantas respiran, toman el dióxido de carbono. Sin carbono, la vida no podría darse. El carbono es el bloque básico todas las formas de vida en la Tierra. Afortunadamente, es también uno de los elementos más abundantes en nuestro planeta. Al igual que toda la materia, el carbono ni se crea ni se destruye, por lo que todos los organismos vivos deben encontrar una manera de volver a utilizar continuamente el suministro finito que se encuentra disponible.

 

                                        

El carbono es el elemento químico que sustenta toda la vida en la Tierra. En la naturaleza existen 92 elementos químicos en natural. Es decir, 92 tipos distintos de átomos. Son las pequeñas piezas que se combinan entre sí para formar toda la materia conocida. Los átomos se combinan para formar moléculas, y las moléculas se unen para formar la materia. Todo lo que vemos a nuestro alrededor se forma con sólo esos 92 elementos. Incluidos nosotros mismos.

El 95% del cuerpo de los seres vivos se compone por sólo cuatro elementos: carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. De ellos, el carbono es el más importante. Sin él, no podría formarse el ADN. Las proteínas, glúcidos, vitaminas y grasas son compuestos de carbono.

 

El carbono es un elemento muy abundante en el Cosmos. Los átomos de carbono se unen entre sí formando largas cadenas que sirven de base para construir otras moléculas más complejas. facilidad para enlazar moléculas es lo que permitió la evolución hasta los organismos vivos. En la tierra primitiva se dio una excelente combinación de grandes cantidades de carbono y agua, que fueron determinantes para el origen de la vida. El carbono es la base química de la vida en presencia de agua que, en el Universo, también está por todas partes.

 

                                       

También aquí, donde se forman los pensamientos y los sentimientos, el Carbono está presente. Los hidratos de carbono  son una parte necesaria  para cualquier persona sana , ya que aportan el combustible  que el cuerpo necesita  para su actividad  física. El cerebro necesita los lípidos y otros jugos que lo mantienen “engrasado” y a punto.

El Carbono es un elemento esencial para muchas cosas, y, podríamos destacar, sin temor a equivocarnos que, la vida, es la más importante de entre todas ellas. En cualquier parte que queramos mirar  nos dirán, del Carbono, cosas como éstas:

“El carbono es un elemento notable por varias razones. Sus formas alotrópicas incluyen, sorprendentemente, una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, el punto de vista económico, uno de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). Más aún, presenta una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otros átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas, y su pequeño radio atómico le permite formar enlaces múltiples. Así, con el oxígeno el dióxido de carbono, vital para el crecimiento de las plantas (ver ciclo del carbono); con el hidrógeno numerosos compuestos denominados genéricamente hidrocarburos, esenciales para la industria y el transporte en la forma de combustibles fósiles; y combinado con oxígeno e hidrógeno forma gran variedad de compuestos como, por ejemplo, los ácidos grasos, esenciales para la vida, y los ésteres que dan sabor a las frutas; además es vector, a través del ciclo carbono-nitrógeno, de parte de la energía producida por el Sol.”

 

 

 

Hacia 1860, varios químicos sugirieron que la asimetría óptica de los compuestos orgánicos debía surgir a partir de la estructura tetraédrica del átomo de Carbono.  A finales del siglo XIX, la teoría correcta fue formulada de manera independiente, por dos  químicos que, de manera simultánea, dieron con la clave al sugerir que, el átomo de Carbono de un compuesto carbonado se encuentra situado en el centro de esa estructura tetraédrica, unido mediante enlaces químicos a otros cuatro átomos, situados en uno de los vértices del tetraedro. El átomo de Carbono puede albergar 8 electrones en su corteza, tiene solamente cuatro; por tanto, por decirlo de manera sencilla, dispone de cuatro plazas vacantes que pueden ser ocupadas por electrones de las cortezas de otros cuatro átomos.

La teoría que es correcta, fue expuesta por el joven francés Joseph Achille  Le Bel, y el otro, el joven neerlandés llamado Jacobus Henricus van´t Hoff, ambos razonaron que tal estructura tetraédrica será asimétrica y no superponible a su imagen especular.

 

Los bioquímicos, es decir, los químicos que estudian los procesos de los seres vivos, no pueden imaginar de vida alguno (excepto, tal vez, alguna forma inactiva muy elemental) que no requiera decenas de miles de clases distintas de tejidos, cada uno de ellos diseñado para llevar a cabo una labor altamente especializada. Pensemos, por ejemplo, en la complejidad de un ojo, que no es más que uno de los muchos órganos del cuerpo.

El ojo tiene que sintetizar compuestos determinados para poder constituir cada una de sus partes: el cristalino, los músculos que permiten cambiar la de éste último, los que abren y cierran las pupilas, las capas de la córnea, los líquidos que llenan las distintas variedades, la retina, el coroides, la esclerótica, el nervio óptico de los vasos sanguíneos… Cada una de ellas necesita sustancias enormemente complejas que, además, deben poseer las propiedades adecuadas para hacer exactamente lo que se supone que hacen.

                                                             

Miles de millones de tales tejidos especializados son esenciales para las formas vivientes de la Tierra. Es imposible imaginar que la evolución de éstos haya podido realizarse sin la ayuda del Carbono, un elemento que sobrepasa a los demás en su capacidad de formar una variedad casi ilimitada de compuestos, uno de ellos con propiedades específicas.

El compuesto más simple es el metano, un átomo de carbono con cuatro de hidrógeno (valencia = 1), pero también puede darse la unión carbono-carbono, formando cadenas de distintos tipos, ya que pueden darse enlaces simples, dobles o triples. Cuando el resto de enlaces de estas cadenas son con hidrógeno, se habla de hidrocarburos, que pueden ser:

saturados: con enlaces covalentes simples, alcanos.

insaturados, con dobles enlaces covalentes (alquenos) o triples (alquinos).

aromáticos: estructura cíclica.

La gran cantidad que existe de compuestos orgánicos tiene su explicación en las características del átomo de carbono, que tiene cuatro electrones en su capa de valencia: según la regla del octeto necesita ocho para completarla, por lo que cuatro enlaces (valencia = 4) con otros átomos formando un tetraedro, una pirámide de base triangular.

Los compuestos de Carbono conocidos superan en más del doble al conjunto de los restantes compuestos conocidos. Los tejidos de cualquier ser que vive sobre la superficie de la Tierra, un virus microscópico hasta un elefante, están constituidos por sustancias que contienen Carbono.  Algunos bioquímicos van incluso más allá al definir la propia vida como una más de las complejas propiedades de los compuestos de Carbono.

¿Cómo se las arregla éste ser un elemento tan versátil y adaptable?

                                                 

  Los seres vivos están formados principalmente por C carbono, H hidrógeno, O oxígeno y N nitrógeno, y, en menor medida, contienen también S azufre y P fósforo junto con algunos halógenos y metales. De ahí que los compuestos de carbono se conozcan con el de compuestos orgánicos (o de los seres vivos). Pero…, cuidado, también hay muchos otros compuestos de carbono que no forman de los seres vivos. La parte de la Química que estudia los compuestos del carbono es la Química Orgánica o Química del Carbono, pues este elemento es común a todos los compuestos orgánicos.

En la pregunta que hacíamos más arriba, sólo podemos dar una respuesta: Es que el Carbono es un gran “combinador”: debido a que su corteza dispone de espacio para cuatro electrones más, se puede enlazar a otros átomos de Carbono y formar cadenas de longitud indefinida, de manera que eslabón de la misma (cada átomo de carbono) tiene dos ramas, por así decirlo, a las que se pueden unir otros átomos o grupos de átomos, como los colgantes de un brazalete.

    Muchas de estas moléculas están presentes en las Nebulosas

La cadena puede ser sencilla o compleja y ramificarse en distintas direcciones, pueden tener los extremos sueltos o bien unidos formando lazos cerrados o anillos. Si dos moléculas tienen exactamente el mismo de átomos de los mismos tipos, pero difieren en la forma en que están dispuestos, se dice que son isómeros.

                      En la isomería los átomos se distribuyen de distinta para cada isómero …

Son compuestos orgánicos formados únicamente por “átomos de carbono e hidrógeno”. La estructura molecular consiste en un armazón de átomos de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno. También son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos grupos principales, de cadena abierta y cíclicos. En los compuestos de cadena abierta que contienen más de un átomo de carbono, los átomos de carbono están unidos entre sí formando una cadena lineal que tener una o más ramificaciones. En los compuestos cíclicos, los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados. Los dos grupos principales se subdividen según su comportamiento químico en saturados e insaturados.

    El Carbono y el Hidrógeno son fundamentales la Vida

Aquí, por ser un tema apasionante, hemos comentado en más de una ocasión, la importancia del Carbono para la vida y, también hemos tratado ya la cuestión de si puede existir vida en algún planeta sin la presencia de compuestos de Carbono. Por supuesto, nadie sabe contestar esa pregunta pero, muchos bioquímicos piensan que la auto duplicación y la mutación son demasiado complejas para que puedan producirse por medio de algún de moléculas que dejen de lado la gran variedad y flexibilidad de los compuestos de Carbono.

El Carbono, es un elemento de posibilidades maravillosas y, hasta tal punto es así, que la vida en nuestro planeta, está presente gracias a ese fantástico elemento que, posiblemente, sea el actor principal en todas las formas de vida que puedan existir en el Universo, dado que, como he dicho tantas veces, lo que pasa aquí, también pasará allí: Todas las leyes del Universo funcionan de la misma manera en Galaxia y en cualquier otra, en este mundo y, también en cualquier otro mundo que, como el nuestro, reúna las posibilidades necesarias para el surgir de la vida.

                        

             Se han imaginado y recreado posibles formas de vida basadas en el Silicio en planetas de alta temperatura, La experiencia nos dice que nunca debemos decir que NO.

Las bioquímicas hipotéticas son especulaciones sobre los distintos tipos de bioquímicas que podría revestir una vida extraterrestre exótica en formas que difieren radicalmente de las conocidas sobre la Tierra, con distintos grados de plausibilidad. En estas bioquímicas hipotéticas comúnmente se emplean elementos distintos del carbono construir las estructuras moleculares primarias y/o se produce en solventes distintos del agua. Las presentaciones de la vida extraterrestre basadas en estas bioquímicas alternativas son comunes en la ciencia ficción.

El Silicio es el elemento más próximo al Carbono en cuanto a su capacidad de combinarse consigo mismo y con otros elementos formar muchos compuestos diferentes, pero sus cadenas son relativamente cortas e inestables en comparación con las de los hidrocarburos (compuestos de carbono que contienen hidrógeno). El Boro es otro elemento que se cita a veces como posible base para una vida sin Carbono, pero sus propiedades hacen que sea todavía peor candidato que el Silicio.

                          

                        Solo podemos imaginar lo que pueda estar presente en otros mundos

Claro que, si todo eso es así (como parece que es), creo que la Vida en el Universo (al menos en su mayor representación), también, como en la Tierra, estará basada en el Carbono. Lo cual, no quita la posibilidad, por extraña que ésta pueda parecer de que, otras formas de vida desconocidas nosotros puedan estar pululando por ahí fuera. En lo que llevamos vivido, en lo que la Ciencia nos ha mostrado, en las inmensas y asombrosas maravillas que hemos podido con la Mecánica Cuántica y con las leyes cosmológicas que rigen en el Universo, hemos podido aprender una cosa: ¡Nunca digas que no! Todo lo que podamos imaginar… podría ser una realidad por asombroso que nos pueda parecer.

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En otros trabajos hemos hablado de los materiales del futuro y… ¡mira por donde! también el actor principal es el carbono que está presente en los fullerenos y en el grafeno que dan unas posibilidades increíbles para las nuevas técnicas de la electrónica, comunicaciones, y otros menesteres de las actividades humanas que nos llevarán hacia un futuro de incalculable riqueza tecnológica.

                           

Tenemos que pensar que todo lo que existe, sea animado o inanimado, se trate del cerebro de un insecto, de las conexiones de nuestro cerebro o de los nanotubos de carbono, todo sin excepción, está formado por la misma cosa: Quarks y Leptones que, combinados en la debida proporción, conforman la materia presente en todo el Universo y que es poseedora de la energía que está presente por todas partes en sus distintas manifestaciones.

De todas las maneras y, aunque mirando objetivamente la realidad, seamos nosotros los que prevalecemos sobre todos los demás, no debemos presumir demasiado por ello, dado que, la diferencia entre nosotros y algunos objetos y seres de la Tierra…, no es tan grande. Seamos humildes y sencillos, reconozcamos nuestras debilidades y comprendamos que, en definitiva, sólo somos una parte más, de la Naturaleza grandiosa que define al Universo.

 

Organismo	Hombre	Alfalfa	Bacteria
Carbono	19,37 %	11,34 %	12,14 %
Hidrógeno	9,31 %	8,72 %	9,94 %
Nitrógeno	5,14 %	0,83 %	3,04 %
Oxígeno	61,81 %	77,90 %	73,68 %
Fósforo	0,63 %	0,71 %	0,60 %
Azufre	0,64 %	0,10 %	0,32 %
CHNOPS/ TOTAL	97,90 %	99,60 %	99,72 %

 

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• Gravedad
• Electromagnetismo
• Interacción débil (fuerza nuclear débil)
• Interacción fuerte (fuerza nuclear fuerte)

A estas alturas pocas dudas nos pueden caber de que el Universo está regido por estas cuatro fuerzas fundamentales: Nucleares fuerte y débil, electromagnetismo y gravedad. Eso nos lleva a emplear la lógica de que, nuestro Universo, es igual en todas partes y, lo que pasa “aquí”, también pasará “allí”. No hay sitios privilegiados en el Universo y, aunque localmente pasen cosas distintas en distintas regiones, lo cierto es que, lo que pase, siempre estará supeditado a estas cuatro fuerzas.

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Figuras

Estos diagramas son una concepción artística de los procesos físicos. No son exactos y no están hechos a escala. Las áreas sombreadas con verde representan la nube de gluones o bien el campo del gluón, las líneas rojas son las trayectorias de los quarks.

En el texto del recuadro dice: Una colisión electrón – positrón (antielectrón) a alta energía puede aniquilarlos para producir mesones B⁰ y Bbarra⁰ a través de un bosón Z virtual o de un fotón virtual.

El texto del recuadro dice: Dos protones que colisionan a alta energía pueden producir varios hadrones más partículas de masa muy grande tales como los bosones Z. Este tipo de suceso es raro pero puede darnos claves cruciales sobre cómo es la estructura de la materia.

Aunque no pueda dar esa sensación, todo está relacionado con las interacciones fundamentales de la materia en el entorno del espacio-tiempo en el que se mueven y conforman objetos de las más variadas estructuras que en el Universo podemos contemplar, desde una hormiga a una estrella, un mundo o una galaxia. Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza siempre están presentes y de alguna manera, afecta a todo y a todos.

Cuando hablamos de la relatividad general, todos pensamos en la fuerza gravitatoria que es unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética. Es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa. Es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos. De hecho, sin esta fuerza no existiría el Sistema Solar ni las galaxias, y seguramente, nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal es la Teoría de la Relatividad General de Einstein, mucho más completa y profunda. En realidad nos trajo una nueva Cosmología.

                                         Gravedad cuántica y la teoría cuántica de campos

Nadie ha podido lograr, hasta el momento, formular una teoría coherente de la Gravedad Cuántica que unifique las dos teorías. Claro que, la cosa no será nada fácil, ya que, mientras que aquella nos habla del macrocosmos, ésta otra nos lleva al microcosmos, son dos fuerzas antagónicas que nos empeñamos en casar.

La Teoría de Planck no se lleva bien con la Teoría de Einstein, y, según parece, la teoría cuántica de la gravedad subyace en la Teoría de Cuerdas. Cuando los físicos trabajan con las ecuaciones de campo de ésta teoría, sin que nadie los llame y como por arte de magua, allí aparecen las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General. ¿Qué significado tendrá eso?

       Seguimos empeñados en buscar esa teoría que una lo muy grande con lo muy pequeño y la Gravedad, hasta el momento no da el sí. De hecho, en el Modelo Estándar de la Física de Partículas está ausente.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

                        Las partículas colisionan ente sí y se producen cambios y transiciones de fase

Algunos han puesto en duda la realidad del Modelo Estándar que, como se ha dicho aquí en otros trabajos, está construido con el contenido de una veintena de parámetros aleatorios (uno de ellos era el Bosón de Higgs) que no son nada satisfactorios para dar una conformidad a todo su entramado que, aunque hasta el momento ha sido una eficaz herramienta de la física, también es posible que sea la única herramienta que hemos sabido construir pero que no es ¡la herramienta! 

Es posible que sola sea cuestión de tiempo y de más investigación y experimento. En el sentido de la insatisfacción reinante entre algunos sectores, se encuentran los físicos del experimento de alta energía BaBar, en el SLAC, un acelerador lineal situado en Stanford (California). Según ellos, la desintegración de un tipo de partículas llamado «B to D-star-tau-nu» es mucho más frecuente de lo predicho por el modelo estándar. Puede que no sea importante y puede que, hasta la existencia del Bosón de Higgs esté en peligro a pesar de que en el LHC digan que se ha encontrado.

Esquema del decaimiento Beta y una sencilla explicación de la interacción débil

La fuerza débil recibe su nombre porque a la escala de sus interacciones es la más débil dentro del modelo estándar. Pero ojo, esto no incluye la gravedad, puesto que la gravedad no pertenece al modelo estándar por el momento. La interacción débil ocurre a una escala de  metros, es decir, la centésima parte del diámetro de un protón y en una escala de tiempos muy variada, desde  segundos hasta unos 5 minutos. Para hacernos una idea, esta diferencia de órdenes de magnitud es la misma que hay entre 1 segundo y 30 millones de años.

La interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción  electromagnética, ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios, que para esta fuerza son las partículas W⁺, W^– y Z⁰.  Las interacciones débiles son descritas por la teoría electro-débil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

                        Propiedades de los Bosones mediadores intermediarios de la fuerza débil

La teoría electro-débil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1.967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.  También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

                                    El electromagnetismo está presente por todo el Universo

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromo-dinámica cuántica.

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. A pesar de su fuerte intensidad, su efecto sólo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el Modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el Gluón.  La teoría que describe a esta interacción es la cromo-dinámica cuántica  (QCD) y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980 y por lo que recibieron el Nobel 30 años más tarde cuando el experimento conformó su teoría.

La interacción fuerte, como se ha explicado muchas veces, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Como los protones y neutrones están compuestos de Quarks, éstos dentro de dichos bariones, están sometidos o confinados en aquel recinto, y, no se pueden separar por impedirlo los gluones que ejercen la fuerza fuerte, es decir, esta fuerza, al contrario que las demás, cuando más se alejan los quarks los unos de los otros más fuerte es. Aumenta con la distancia.

En la incipiente teoría del campo electromagnético sugerida por Faraday, desaparecía la distinción esencial entre fuerza y materia, introduciendo la hipótesis de que las fuerzas constituyen la única sustancia física.

Las características de las fuerzas eran:

1. Cada punto de fuerza actúa directamente sólo sobre los puntos vecinos.

2. La propagación de cualquier cambio de la intensidad de la fuerza requiere un tiempo finito.

3. Todas las fuerzas son básicamente de la misma clase; no hay en el fondo fuerzas eléctricas, magnéticas ni gravitatorias, sino sólo variaciones (probablemente geométricas) de un sólo tipo de fuerza subyacente.

                       

Lo importante al considerar la influencia de la metafísica de Faraday en sus investigaciones, es su suposición de que la teoría de campos ofrece una explicación última a todos los fenómenos. Los cuerpos sólidos, los campos eléctricos y la masa de los objetos son, de alguna forma,  sólo apariencias. La realidad subyacente es el campo, y el problema de Faraday era encontrar un lazo de unión entre las apariencias y la supuesta realidad subyacente

       Estaría bueno que al final del camino se descubriera que todas son una sola fuerza

El concepto de campo de Faraday ha dado mucho juego en Física, es un concepto ideal para explicar cierttos fenómenos que se han podido observar en las investigaciones de las fuerzas fundamentales y otros. El campo no se ve, sin embargo, está ahí, rodea los cuerpos como, por ejemplo, un electrón o el planeta Tierra que emite su campo electromagnético a su alrededor y que tan útil nos resulta para evitar problemas.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang–Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromo-dinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electro-débil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electro-débil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.” Por todo lo antes expuesto, es preciso conocer los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente  “el espacio tiempo” nos limita y, me remitiré a  las más comunes, importantes y conocidas como:

–  Protón, que es una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1’672614×10^-27 Kg, que es 1836,12 veces la del electrón^. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los Quarks. Es decir, un protón está formado por dos quarks up y un quark down.

–  Neutrón, que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo. Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo m_n), siendo de 1’6749286(10)×10^-27 kg. Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno que está formado por un solo protón. Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974. El protón está formado por tres quarks, dos quarks down y un quark up. Fijáos en la diferencia entre las dos partículas: la aparentemente minúscula diferencia hace que las dos partículas “hermanas” se comporten de formas muy distintas: la carga del protón es  +2/3 +2/3 -1/3 = +1. Pero como el neutrón tiene up/down/down su carga es +2/3 -1/3 -1/3 = 0. ¡No tiene carga!  No porque no haya nada con carga en él, sino porque las cargas que hay en su interior se anulan.

    Andamos a la caza de los neutrinos

Los neutrinos, se cree que no tienen masa o, muy poca, y, su localización es difícil. Se han imaginado grandes recipientes llenos de agua pesada que, enterrados a mucha profundidad en las entrañas de la Tierra, en Minas abandonadas, captan los neutrinos provenientes del Sol y otros objetos celestes, explosiones supernovas, etc.

–  Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero (se cree que) con distintas masas. Tenemos el v_e (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, v_μ (neutrino muónico) que acompaña al muón, y v_t (neutrino tau) que acompaña a la partícula tau, la más pesada de las tres. Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta. Fue identificado de forma tentativa en 1.953 y definitivamente en 1.956. Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón. Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.

• El punto de partida de la denominada Mecánica Ondulatoria, desarrollada por Schrödinger, es la onda de materia de de Broglie y la consideración del átomo como un sistema de vibraciones continuas.

Se ha conseguido fotografíar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, segundo, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash).

–  Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9’109 3897 (54)×10^-31Kg y una carga negativa de 1´602 177 33 (49) x 10^-19 culombios. Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.

   El núcleo del átomo constituye el 99% de la masa.

En los átomos existen el mismo número de protones que el de electrones, y, las cargas positivas de los protones son iguales que las negativas de los electrones, y, de esa manera, se consigue la estabilidad del átomo al equilibrarse las dos fuerzas contrapuestas. El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su auto-energía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente–Dirac.

“La llamada ecuación de Dirac es la versión relativista de la ecuación de ondas de la mecánica cuántica y fue formulada por Paul Dirac en 1928, quien juntó dos de las ideas más importantes de la ciencia: la mecánica cuántica (la ecuación de Schrödinger) que describe el comportamiento de objetos muy pequeños; y la teoría especial de Einstein de la relatividad, que describe el comportamiento de objetos en movimiento rápido. Por lo tanto, la ecuación de Dirac describe cómo las partículas como electrones se comportan cuando viajan a casi la velocidad de la luz, también describe de forma natural el spin y predice la existencia de antimateria.”

 

Radios del modelo Bhor

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado radio clásico del electrón, dado por e²/(mc²) = 2’82×10^-13cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz^. Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Muchas son las partículas de las que aquí podríamos hablar, sin embargo, me he limitado a las que componen la materia, es decir Quarks y Leptones que conforman Protones y Neutrones, los nucleaones del átomo que son rodeados por los electrones. El Modelo Estándar es la herramienta con la ue los físicos trabajan (de momento) hasta que surjan nuevas y más avanzadas teorías que permitan un modelo más eficaz y realista. De Wikipedia he cogido el cuadro comparativo de las fuerzas.

Tabla comparativa

Interacción7	Teoría descriptiva	Mediadores	Fuerza relativa	Comportamiento con la distancia (r)	Alcance (m)
Fuerte	Cromodinámica cuántica (QCD)	gluones	1038		10-15
Electromagnética	Electrodinámica cuántica (QED)	fotones	1036
Débil	Teoría electrodébil	bosones W y Z	1025		10-18
Gravitatoria	Gravedad cuántica	gravitones (hipotéticos)	1

La teoría cuántica de campos es el marco general dentro del cual se inscriben la cromodinámica cuántica, la teoría electrodébil y la electrodinámica cuántica. Por otra parte la “gravedad cuántica” actualmente no consiste en un marco general único sino un conjunto de propuestas que tratan de unificar la teoría cuántica de campos y la relatividad general.

   Van surgiendo por ahí nuevas conjeturas como, por ejemplo, las de Maldacena.

“Las consecuencias de esta conjetura son muy importantes, pues existe la posibilidad de que el resto de interacciones (electromagnéticas y nucleares) sean tan sólo una ilusión, el reflejo sobre el cristal de un escaparate del contenido de la tienda. Así, podría ser que el electromagnetismo tan sólo sea la imagen proyectada de la interacción de algunas cuerdas en un supuesto interior del espacio-tiempo. De la misma manera, la necesidad de compactificar las dimensiones adicionales desaparece en cierto modo si consideramos que, quizás, nuestro mundo sea solamente la frontera; siendo el interior del espacio-tiempo inaccesible.”

 

Que gran sorpresa sería si al final del camino se descubriera que en realidad solo existe una sola fuerza: La Gravedad, de la que se derivan las otras tres que hemos podido conocer en sus ámbitos particulares y que, ¿por qué no? podrían surgir a partir de aquella primera y única fuerza existente en los principios o comienzos del Universo: ¡La Gravedad! Que no acabamos de comprender.

Además de las cuatroi fuerzas fundamentales, nuestro universo es como es, debido a esas constantes conocidas como:

• La Velocidad de la Luz en el Vacío
• La Carga del Electrón
• La masa del Protón
• La constante de Planck, h
• La Constante de Estructura Fina (α) Alfa = 1/137

Y otras que definen a nuestro Universo y permiten la presencia de la Vida.

La importancia de estas constantes se pueden determinar por el simple hecho de que, si la carga del electrón o la masa del protón variaran, aunque solo fuera una diezmillonésima… ¡La Vida no podría existir!

Todos estos descubrimientos nos han costado mucho trabajo, el ingenio de muchos personajes, los avances de las nuevas técnicas en Aceleradores, telescopios y microscopios (entre otros). Y, con todo lo que hemos podido reunir, se construyeron Modelos como el del Cosmos, el Modelo Estándar…. y algunos otros cada uno de ellos centrado en un saber.

Bueno, pues a pesar de lo mucho que hemos podido desvelar de los secretos del Universo, todavía no podemos decir que lo sabemos todos, sino que, muy al contrario, las preguntas ganan por goleada a las respuestas. Y, en este punto, siempre me viene a la memoria aquellas frases de Karl Popper:

• “Cuanto más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se. Mis conocimientos son limitados. Mi ignorancia infinita.”

El hombre quería decir que siempre queda algo por saber. Con cada nuevo conocimiento que podemos conquistar, tenemos una “llave” con la que abrir puertas cerradas. Y, ese nuevo conocimiento nos permite plantear preguntas que antes de tenerlo no podíamos plantear.

Demócrito nos habló del átomo y Empédocles de los elementos, ambos de forma muy rudimentaria pero intuían que allí (en aquellas ideas), había algo importante. Sin embargo, no podían saber de las fuerzas fuerte y electromagnética el primero, ni el segundo, imaginar que los elementos se crean en las estrellas.

Ahora nosotros que sabemos sobre lo que ellos no sabían, podemos avanzar algo más. Sin embargo, también como ellos, no podemos hacer algunas preguntas por desconocer ciertos secretos profundamente escondidos por la Naturaleza.

Nunca podremos saberlo todo, nuestro destino es seguir aprendiendo y, sobre todo saber que no sabemos. esa será la mejor forma de seguir avanzando.

Emilio Silvera V.

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La Teoría de cuerdas es una idea interesante, nos quiere llevar a saber que podrían existir más allá de los Quarks, sin embargo, no se puede verificar, ya que, para ello, se necesitaría la energía de Planck, es decir 10¹⁹ GeV. Representa la escala energética máxima donde la gravedad cuántica es significativa, equivalente a la masa de Planck y capaz de formar microagujeros negros.

Como nadie las ha visto, la representamos de mil maneras que, seguramente (si es que realmente existen), no será así

Lo cierto es que no tenemos ni idea de cómo podrían ser las cuerdas si finalmente se descubre que existen

Lo cierto es que, en el desarrollo de la Teoría de cuerdas están presentes matemáticas muy complejas

La Gravedad Cuántica parece que subyace dentro de la Teoría de cuerdas. Una cosa muy curiosa es que, cuando los físicos están desarrollando las ecuaciones de campo de la Teoría de Cuerdas, como por arte de magia y sin que nadie las llame… ¡Allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad General! Einstein, el viejo zorro, allá donde esté está sonriente ante tan asombroso acontecimiento.

Veremos que, a todo lo largo del trabajo, los distintos científicos que intervienen y se podrían decir que son los promotores de la Teoría a lo largo de su historia, no siempre hablan con la propiedad de la certeza, sino que conjeturan y teorizan, y, en esas estamos mientras que no se pueda verificar la dichosa teoría de cuerdas que, según los cálculos realizados, para que pueda ser verificada, exige la energía de 10¹⁹ GeV, una energía de la que no podemos disponer, solo estaba presente en los principios de ,la creación. Así que esto va para largo.

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