Sólo universos que están muy cerca de la divisoria crítica pueden vivir el tiempo suficiente y tener una expansión suave para la formación de estrellas y planetas… y ¡vida!

No es casual que nos encontremos viviendo miles de millones de años después del comienzo aparente de la expansión del universo y siendo testigos de un estado de expansión que está muy próximo a la divisoria que marca la “Densidad Crítica”

Gráfico: Sólo en el modelo de universo que se expande cerca de la divisoria crítica (en el centro), se forman estrellas y los ladrillos primordiales para la vida. La expansión demasiado rápida no permite la creación de elementos complejos necesarios para la vida. Si la densidad crítica supera la ideal (más cantidad de materia), el universo será cerrado y terminará en el Big Crunch.

La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números: la razón entre las masas del electrón y el protón, b, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina, a, que es aproximadamente 1/137. Supongamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo sencillo) que ninguna otra constante de la Naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas?

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos que no hay muchos espacios para maniobrar. Incrementemos b demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de beta el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y las cargas negativas de los electrones igualan las cargas positivas de los protones haciendo estable el núcleo y el átomo.

Si en lugar de a versión b, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte a_F, junto con la de a, entonces, a menos que  a_F > 0,3 a^½, los elementos como el carbono no existirían.

No podrían existir químicos orgánicos, no podrían mantenerse unidos. Si aumentamos a_F en solo un 4 por 100, aparece un desastre potencial porque ahora puede existir un nuevo núcleo de helio, el helio-2, hecho de 2 protones y ningún neutrón, que permite reacciones nucleares directas y más rápidas que de protón + protón →  helio-2.

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre las atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y, a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Resulta que el combustible nuclear de las estrellas es el hidrógeno que mediante su fusión hace posible que genere tal enormidad de energía.  Así lleva el Sol unos 4.500 millones de años y se espera que al menos durante un período similar nos esté regalando su luz y su calor. Si eso es así, yo aconsejaría copiar a la naturaleza y procurar una fuentre de energía siguiendo el mismo camino del Sol, si podemos conseguir duplicar aquí en la Tierra sus mecanismos, conseguiríamos una fuente de energía de la que tanto estamos necesitados.

Pero ¿tenemos hidrógeno en el planeta Tierra para tal empresa de fusión nuclear?

La verdad es que sí. La fuente de suministro de hidrógeno con la que podemos contar es prácticamente inagotable…

¡El agua de los mares y de los océanos!

Todos sabemos que el hidrógeno es el elemento más ligero y abundante del universo. Está presente en el agua y en todos los compuestos orgánicos.  Químicamente, el hidrógeno reacciona con la mayoría de los elementos.  Fue descubierto por Henry Cavendisch en 1.776. El hidrógeno se utiliza en muchos procesos industriales, como la reducción de óxidos minerales, el refinado del petróleo, la producción de hidrocarburos a partir de carbón y la hidrogenación de los aceites vegetales y, actualmente, es un candidato muy firme para su uso potencial en la economía de los combustibles de hidrógeno en la que se usan fuentes primarias distintas a las energías derivadas de combustibles fósiles (por ejemplo, energía nuclear, solar o geotérmica) para producir electricidad, que se emplea en la electrólisis del agua. El hidrógeno formado se almacena como hidrógeno líquido o como hidruros de metal.

Las leyes de la naturaleza son las mismas en cualquier lugar de nuestro universo; todo está formado por partículas elementales que se unen para formar núcleos, átomos, células y materia.

Einstein se inspiró en la invariancia de la velocidad de la luz para regalarnos su teoría de la relatividad especial con su sencilla y asombrosa fórmula  E = mc², que nos dice la igualdad entre masa y energía. Nos dejó cómo se ralentizaba el tiempo al viajar más rápido y, con su teoría de la relatividad general, nos dejó una profunda lección de cómo se formula una teoría de la máxima eficacia mediante unas ecuaciones de bella factura y, sobre todo, de un extenso e inmenso mensaje.

Los grandes números de Eddington y Dirac, y trabajos de otros muchos personajes, han quedado aquí reflejados para facilitar al lector datos que no conocía y aspectos interesantes de las ciencias físicas.

El espacio “vacio” del universo, las fuerzas que lo rigen, la simetría original en el Big Bang, las familias de las partículas con sus quarks, leptones y hadrones (bariones y mesones), y las partículas mediadoras de las fuerzas, gluones, fotones, partículas W y Z y el esquivo gravitón.

El Modelo Estándar con sus parámetros discrecionales y sus muchos beneficios con su eficacia como herramienta de trabajo.

En el universo en que vivimos, nada desaparece; con el tiempo se cumplen los ciclos de las cosas y se convierten en otra distinta, es un proceso irreversible.

En lo concerniente a cambios y transformaciones, el que más me ha llamado siempre la atención es el de las estrellas que se forman a partir de gas y polvo cósmico. Nubes enormes de gas y polvo se van juntando. Sus moléculas cada vez más apretadas se rozan, se ionizan y se calientan hasta que en el núcleo central de esa bola de gas caliente, la temperatura alcanza millones de grados. La enorme temperatura hace posible la fusión de los protones y, en ese instante, nace la estrella que brillará durante miles de millones de años y dará luz y calor. Su ciclo de vida estará supeditado a su masa. Si la estrella es supermasiva, varias masas solares, su vida será más corta, ya que consumirá el combustible nuclear de fusión (hidrógeno, helio, litio, oxígeno, etc) con más voracidad que una estrella mediana como nuestro Sol, de vida más duradera.

Una estrella, como todo en el universo, está sostenida por el equilibrio de dos fuerzas contrapuestas; en este caso, la fuerza que tiende a expandir la estrella (la energía termonuclear de la fusión) y la fuerza que tiende a contraerla (la fuerza gravitatoria de su propia masa). Cuando finalmente el proceso de fusión se detiene por agotamiento del combustible de fusión, la estrella pierde la fuerza de expansión y queda a merced de la fuerza de gravedad; se hunde bajo el peso de su propia masa, se contrae más y más, y en el caso de estrellas súper masivas, se convierten en una singularidad, una masa que se ha comprimido a tal extremo que acaba poseyendo una fuerza de gravedad de una magnitud difícil de imaginar para el común de los mortales.

Las fuerzas que podemos sentir en la vida cotidiana, es decir, la Gravedad y el electromagnetismo, aumentan con la cercanía: así, cuando más cerca está un clavo de un imán o una manzana del suelo, más se verán atraídos.

Por el contrario, la interacción fuerte disminuye cuanto más cerca y juntas están las partículas en el interior de los átomos, aumentando cuando las partículas se alejan las unas de las otras.

El descubrimiento de esta extraña propiedad, llamada libertad asintótica, supuso toda una revolución teórica en los años 70 (se publicó en 1.973), pero ya plenamente respaldada por los experimentos en los aceleradores de partículas, aconsejó, a la Academia, conceder 30 años más tarde, el Premio Nobel de Física a sus autores.

“Ha sido un gran alivio. He estado pensando en ello durante mucho tiempo”, comentó al enterarse de la noticia Franck Wilczek.

“No estaba claro que fuera un adelanto en aquel momento. La teoría que propusimos era descabellada en muchos aspectos y tuvimos que dar muchas explicaciones”, reconoció el investigador.

Tanto Wilczek como Politzer eran aun aspirantes a doctores en 1.973, cuando publicaron su descubrimiento en Physical Review letters. Junto a su informe, la misma revista incluyó el trabajo de David Gross, que unido al de los dos estudiantes ha dado lugar a la celebrada teoría de la Cromodinámica Cuántica (QCD).

Coste energético del cerebro

La evolución pudo haber optado por otras soluciones, por ejemplo la de incrementar la cantidad total de energía en forma de alimento, permitiendo así la existencia de energía necesaria para un gran cerebro y un gran aparato digestivo, lo cual sería, al menos chocante, ya que, lo racional es que tengamos que alimentarnos para vivir y no que vivamos para alimentarnos.

Los ladrillos del cerebro: Es evidente que el estímulo para la expansión evolutiva del cerebro obedeció a diversas necesidades de adaptación como puede ser el incremento de la complejidad social de los grupos de homínidos y de sus relaciones interpersonales, así como la necesidad de pensar para buscar soluciones a problemas surgidos por la implantación de sociedades más modernas cada vez. Estas y otras muchas razones fueron las claves para que la selección natural incrementara ese prodigioso universo que es el cerebro humano.

Claro que, para levantar cualquier edificio, además de un estímulo para hacerlo se necesitan los ladrillos específicos con las que construirlo y la energía con la que mantenerlo funcionando.

La evolución rápida del cerebro no solo requirió alimentos de una elevada densidad energética y abundantes proteínas, vitaminas y minerales; el crecimiento del cerebro necesitó de otro elemento fundamental: Un aporte adecuado de ácidos grasos poliinsaturados de larga cadena, que son componentes fundamentales de las membranas de las neuronas, las células que hacen funcionar nuestro cerebro.

Nuestro organismo, como ya he señalado, es incapaz de sintetizar en el hígado suficiente cantidad de estos ácidos grasos; tiene que conseguirlos mediante la alimentación. Estos ácidos grasos son abundantes en los animales y en especial en los alimentos de origen acuático (peces, moluscos, crustáceos). Por ello, algunos especialistas consideran que la evolución del cerebro no pudo ocurrir en cualquier parte del mundo y, por lo tanto, requirió un entorno donde existiera una abundancia de estos ácidos grasos en la dieta: un entorno acuático.

En aquellas selvas, los simios se encontraban en su paraíso. Las condicione climatológicas eran las más adecuadas: siempre reinaba la misma temperatura cálida, y la lluvia que con frecuencia caía, era también caliente. Apenas tenían enemigos peligrosos, ya que, ante la menor amenaza, en dos saltos estaban en refugio seguro entre las ramas de los árboles, hasta donde ningún depredador podía perseguirles. En este escenario, en el que había poco riesgo, alimentos abundantes y las condiciones más favorables para la reproducción, surgieron nuestros antepasados.

Hace unos cinco millones de años, a comienzos del Pleistoceno, el período que siguió al Mioceno, en los bosques que entonces ocupaban África oriental, más concretamente en la zona correspondiente a lo que hoy es Kenia, Etiopía y Nigeria, habitaba una estirpe muy especial de monos hominoideos: Los Ardipithecus ramidus. Éstos, como el resto de primates, estaban adaptados a vivir en zonas geográficas en las que no existían variaciones estacionales. Porque los monos, en general, no pueden soportar largos periodos en los que no haya frutas, hojas verdes, tallos, brotes tiernos o insectos de los que alimentarse: por eso solo viven en zonas tropicales, salvo muy contadas excepciones.

Los fósiles de quien hoy se considera uno de nuestros primeros antepasados, el Ardipithecus ramidus, han aparecido siempre junto a huesos de otros mamíferos cuya vida estaba ligada al bosque. Se puede suponer, por lo tanto, que habitaba un bosque que aún era espeso, con algunos claros, y abundante en frutas y vegetales blandos, aunque el enfriamiento progresivo que se venía produciendo en esos últimos miles de años y las catastróficas modificaciones geológicas tuvieron que reducir la disponibilidad de los alimentos habituales de estos simios.

Nunca será lo mismo lo que nos han contado que lo que hemos vivido. Bien es verdad que existen parcelas del conocimiento que son puramente teóricas y se aprenden sin necesidad de práctica alguna.

Estoy totalmente convencido de que, de alguna manera, nuestras mentes, están conectadas con el cosmos del que formamos parte. Estamos aquí y nos parece de lo más natural, nunca nos paramos a pensar en cómo fue eso posible, en cómo surgió el milagro. A partir de la materia “inerte” evolucionada surgen entes pensantes y vivos, ¿ cómo es posible tal maravilla ? Hay que pensar (lo he referido en muchas ocasiones) que, el material del que estamos hecho (Nitrógeno, Carbono, etc), se fabricó en las estrellas a partir del elemento más simple, el Hidrógeno que, evolucionado a materiales más complejos llegaron hasta nuestro Sistema Solar primitivo en formación para formar parte del Planeta Tierra en el que, bajo ciertas condiciones atmosféricas y de radiación cósmica, dio lugar al nacimiento de aquella primera célula capaz de reproducirse que evolucionó hasta nosotros.

Estamos hecho de energía pura fabricada en las estrellas y nuestras mentes evolucionan formando parte de un Universo en constante expansión del que, sin que nos demos cuenta, recibimos continuos mensajes que nos mantiene conectados a esa fuerza invisible que nos hace pensar para descubrir su fuente.

En algún momento breve, he tenido la sensación de tener en mi mente la solución a un pensamiento continuado sobre un problema científico que me preocupa y quisiera conocer. La sensación de ese saber, de tener esa respuesta deseada, es fugaz, pasa con la misma rapidez que llegó. Me deja inquieto y decepcionado, estaba a mi alcance y no se dejó atrapar. Me ocurre con cierta frecuencia con distintos temas que me rondan por la cabeza. Sin embargo, esa luz fugaz del saber aparece y se va sin dejar rastro en mi mente que me permita, a partir de una simple huella, llegar al fondo de la cuestión origen del fenómeno.