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Siempre queriendo saber

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Astronomía y Astrofísica    ~    Comentarios Comments (5)

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Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Sabemos de átomos infinitesimales y de cúmulos de galaxias de inmensidades de materia. Sin embargo, ambos, lo pequeño y lo grande, finalmente resultan ser la misma cosa: Quarks y Leptones

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Lo pequeño

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Lo grande

Los nucleótidos (moléculas formadas por un azúcar y un grupo consistente en un átomo de fósforo con cuatro átomos de oxígeno, además de otro grupo llamado “base”) son los componentes esenciales de los ácidos nucleicos (ADN y ARN). El esquema es similar al de las proteínas, donde diferentes ácidos nucleicos son formados por nucleótidos con diferentes azúcares y distintas bases, pudiendo crearse largas cadenas moleculares a partir de moléculas bastante simples.

En el ADN, el azúcar del bloque básico de construcción es la desoxirribosa, lo que le da el nombre de ácido desoxirribonucleico, existiendo sólo cuatro tipos de grupo base asociados a él: Adenina, Timina, Guanina y Citosina. Además, la molécula de ADN está formada por una doble cadena, donde los azúcares y los fosfatos se unen entre sí a lo largo de cada cadena, como si fueran los laterales de una escalera, mientras que las respectivas bases sirven de unión entre ambas, a modo de peldaños, permitiendo únicamente dos opciones de enlace: Adenina con Timina o Guanina con Citosina, constituyendo dicha secuencia el código genético en el que se organiza el funcionamiento celular.

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Las grandes moléculas de los sistemas vivos tienen una estructura modular mantenida mediante enlaces covalentes y formada esencialmente por tan sólo seis elementos químicos: Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxígeno, Fósforo y Azufre.

Los azúcares (moléculas formadas en torno a un anillo de carbono, oxígeno e hidrógeno) son los bloques de construcción básicos de los carbohidratos. Los almidones y la celulosa están compuestos por cadenas de azúcares (glucosa), siendo utilizados los primeros como almacenamiento de energía y la celulosa como estructura de las paredes celulares vegetales. Las diferencias entre ambas moléculas son tan sutiles como pequeñas variaciones en los enlaces intermoleculares, pero el resultado es tan diferente que nuestro organismo, por ejemplo, puede digerir el almidón y no la celulosa.

Una molécula es mayor y más fácil de desmembrar que un átomo; lo mismo podemos decir de un átomo respecto al núcleo atómico, y de un núcleo con respecto a los quarks que contiene.

La cosmología sugiere que esta relación resulta del curso de la historia cósmica, que los quarks se unieron primero, en la energía extrema del big bang original, y que a medida que el Universo se expandió, los protones y neutrones compuestos de quarks se unieron para formar núcleos de átomos, los cuales, cargados positivamente, atrajeron a los electrones cargados con electricidad negativa estableciéndose así como átomos completos, que al unirse formaron moléculas.

Un núcleo atómico cualquiera está constituído básicamente por protones y neutrones. Sin embargo, por que algunos átomos (o isótopos) son estables como el 12C6 y otros como el 14C6 no son estables y sufren decaimiento radioactivo para estabilizarse.

En el núcleo de un átomo existen fuerzas (fuerzas nucleares) que mantienen los protones y neutrones ligados. Estas fuerzas deben ser suficientemente grandes para contrabalancear las repulsiones eléctricas resultantes de la carga positiva de los protones.

Una vez que los neutrones no poseen carga eléctrica. Esto debe ocurrir para explicar la existencia de núcleos atómicos estables. Generalmente se considera que un núcleo atómico es estable, cuando la relación neutrón-protón es igual a la carga del electrón negativa que compensa la positiva del protón y lo estabiliza.

No siempre podemos ver lo que está en el interior de la materia, de las cosas y de nosotros, y, cuando lo podemos contemplar, el asombro se apodera de nuestras mentes al ver la intrincada complejidad que subyace en lo más profundo que no siempre sabemos comprender.

Si es así, cuanto más íntimamente examinemos la Naturaleza, tanto más lejos hacia atrás vamos en el tiempo. Alguna vez he puesto el ejemplo de mirar algo que no es familiar, el dorso de la mano, por ejemplo, e imaginemos que podemos observarlo con cualquier aumento deseado.

Con un microscopio electrónico podremos llegar muy lejos en el universo de lo muy pequeño.

Con un aumento relativamente pequeño, podemos ver las células de la piel, cada una con un aspecto tan grande y complejo como una ciudad, y con sus límites delineados por la pared celular. Si elevamos el aumento, veremos dentro de la célula una maraña de ribosomas serpenteando y mitocondrias ondulantes, lisosomas esféricos y centríolos, cuyos alrededores están llenos de complejos órganos dedicados a las funciones respiratorias, sanitarias y de producción de energía que mantienen a la célula.

Es como visitar otro universo que está dentro de nosotros

Ya ahí tenemos pruebas de historia. Aunque esta célula particular solo tiene unos pocos años de antigüedad, su arquitectura se remonta a más de mil millones de años, a la época en que aparecieron en la Tierra las células eucariota o eucarióticas como la que hemos examinado.

Para determinar dónde obtuvo la célula es esquema que le indicó como formarse, pasemos al núcleo y contemplemos los delgados contornos de las macromoléculas de ADN segregadas dentro de sus genes. Cada una contiene una rica información genética acumulada en el curso de unos cuatro mil millones de años de evolución.

Almacenado en un alfabeto de nucleótidos de cuatro “letras”- hecho de moléculas de azúcar y fosfatos, y llenos de signos de puntuación, reiteraciones para precaver contra el error, y cosas superfluas acumuladas en los callejones sin salida de la historia evolutiva-, su mensaje dice exactamente cómo hacer un ser humano, desde la piel y los huesos hasta las células cerebrales.

Si elevamos más el aumento veremos que la molécula de ADN está compuesta de muchos átomos, con sus capas electrónicas externas entrelazadas y festoneadas en una milagrosa variedad de formas, desde relojes de arena hasta espirales ascendentes como largos muelles y elipses grandes como escudos y fibras delgadas como puros. Algunos de esos electrones son recién llegados, recientemente arrancados átomos vecinos; otros se incorporaron junto a sus núcleos atómicos hace más de cinco mil millones de años, en la nebulosa de la cual se formó la Tierra.

Si elevamos el aumento cien mil veces, el núcleo de un átomo de carbono se hinchará hasta llenar el campo de visión. Tales núcleos átomos se formaron dentro de una estrella que estalló mucho antes de que naciera el Sol. Si podemos aumentar aún más, veremos los tríos de quarks que constituyen protones y neutrones.

Carbono
EL ATOMO DE CARBONO: Por que es importante el átomo de carbono? El carbono es el elemento alrededor de el cual ha evolucionado la química de la vida. El carbono tiene cuatro electrones de valencia en su capa mas externa, cada uno de los cuales puede parearse con los de otros átomos que puedan completar sus capas electrónicas compartiendo electrones para formar enlaces covalentes. Algunos de estos elementos son el nitrógeno, el hidrógeno y el oxigeno. Pero la característica mas admirable del átomo de carbono, que lo diferencia de los demás elementos y que confirma su papel fundamental en el origen y evolución de la vida, es su capacidad de compartir pares de electrones con otros átomos de carbono para formar enlaces covalentes carbono-carbono. Este fenómeno es el cimiento de la química orgánica. Las proteínas, por ejemplo, corresponden a una sola de esa gran variedad de estructuras formadas mediante el anterior mecanismo.

Si bien sabemos con certeza que los quarks y electrones son más pequeños que 10 a la (-18) metros, es posible que ellos no tengan volumen. También es posible que los quarks y electrones no sean fundamentales sino que estén compuestos de partículas más fundamentales. (Vaya! ¿Ésto nunca terminará?)

Los quarks han estado unidos desde que el Universo sólo tenía unos pocos segundos de edad. Que sepamos, junto con los electrones y neutrinos, son las partículas más pequeñas que existen pero…¿quién sabe?

Al llegar a escalas cada vez menores, también hemos entrado en ámbitos de energías de unión cada vez mayores. Un átomo puede ser desposeído de su electrón aplicando sólo unos miles de electrón-voltios de energía. Sin embargo, para dispersar los nucleones que forman el núcleo atómico se requieren varios millones de electrón-voltios, y para liberar los quarks que constituyen cada nucleón se necesitaría cientos de veces más energía aún.

Introduciendo el eje de la historia, esta relación da testimonio del pasado de las partículas: las estructuras más pequeñas, más fundamentales están ligadas por niveles de energía mayores porque las estructuras mismas fueron forjadas en el calor del big bang.

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Sabíais que… ¿Los supercúmulos son grandes agrupaciones de pequeños cúmulos de galaxias, y se encuentran entre las estructuras más grandes del Universo? ¿Que la existencia de supercúmulos indica que las galaxias en nuestro Universo no están uniformemente distribuidas? ¿Que los supercúmulos varían en tamaño, hasta unos 108 años luz? ¿Que entremezclados entre ellos hay grandes espacios vacíos en los cuales existen pocas galaxias? ¿Que frecuentemente son subdivididos en grupos de cúmulos llamados nubes de galaxias? Sin embargo, toda esa imensidad, está hecha de pequeñas cositas que se llaman Quarks y Leptones.

Esto implica que los aceleradores de partículas, como los telescopios, funcionen como máquinas del tiempo. Un telescopio penetra en el pasado en virtud del tiempo que tarda la luz en desplazarse entre las estrellas; un acelerador recrea, aunque sea fugazmente, las condiciones que prevalecían en el Universo primitivo.

El acelerador de 200 KeV diseñado en los años veinte por Cockroft y Walton reproducía algunos de los sucesos que ocurrieron alrededor de un día después del comienzo del big bang. Los aceleradores construidos en los años cuarenta y cincuenta llegaron hasta la marca de un segundo. El Tevatrón del Fermilab llevó el límite a menos de una milmillonésima de segundo después del comienzo del Tiempo. El nuevo LHC proporcionara un atisbo del medio cósmico cuando el Universo tenía menos de una billonésima de segundo de edad. Si pudiéramos llegar hasta el momento mismo del Big Bang, ¿Qué nos impediría ir un poco más allá y ver de donde surgió todo?

Esta es una edad bastante temprana: una diez billonésima de segundo es menos que un pestañeo con los párpados en toda la historia humana registrada. A pesar de ello, extrañamente, la investigación de la evolución del Universo recién nacido indica que ocurrieron muchas cosas aún antes, durante la primera ínfima fracción de un segundo.

Todos los teóricos han tratado de elaborar una explicación coherente de los primeros momentos de la historia cósmica. Por supuesto, sus ideas fueron esquemáticas e incompletas, muchas de sus conjeturas, sin duda, se juzgaran deformadas o sencillamente erróneas, pero constituyeron una crónica mucho más aclaradora del Universo primitivo que la que teníamos antes.

Emilio Silvera

 

  1. 1
    Fandila
    el 3 de octubre del 2011 a las 21:57

    ¿Habrá un final en la pequeñez? ¿El presente se cierra sobre si mismo a partir de ciertas dimensiones?¿o todo constituye una ilusión que se amplia desde el instante presente?

    Responder
    • 1.1
      emilio silvera
      el 4 de octubre del 2011 a las 5:57

      De momento, y, que sepamos, lo más pequeño que existe, el cuanto de espacio, queda fijado en el límite de Planck. Esa escala de longitud a la que la descripción clásica de la gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en cuenta la mecánica cuántica. La conocemos mediante la fórmula Lp = √(G ћ / c3), donde G es la constante gravitacional, ћ es la constante de Planck racionalizada y c es la velocidad de la luz. El valor de la Longitud de Planck es del orden de 10-35 m (veinte órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón 10-15 m).

      Estamos hablando de una dimensión increíblemente pequeña a la que, ninguno de nuestros ingenios ha podido llegar para ver que es, lo que allí pueda haber, y, algunos hablan de la espuma cuántica a partir de la cual, surge la materia pero, ¿quién puede saberlo?
      Por otra parte, muchos de nuestros conocimientos y mucho de lo que creemos “saber” puede estar determinado por nuestras propias carencias y en función de las “armas” que tenemos para poder “ver” lo que a nuestro alrededor existe y que, no siempre será, lo que nosotros podamos entender que es.

      Ese final en el posible límite de la pequeñez que mencionas, nunca podrá ser marcado por nosotros que, habiendo llegado hasta los Quarks, estamos a años luz de conseguir llegar a las cuerdas y, si llegamos, nos seguiremos preguntando qué puede haber más allá. Nuestro mundo es macroscópico y, ese otro que sabemos que existe y con el cual estamos muy directamente relacionados, siendo de este mundo nuestro, parece estar en otro que nos es extraño e inalcanzable (al menos hasta sus últimas consecuencias).
      Mucho hemos conseguido ya con llegar hasta el átomo y, para continuar por ese camino de sondear el “universo” de lo infinitesimal, necesitaremos mucho tiempo y mucho ingenio pero…¿Quién sabe?
      En parte, sí llevas razón al referirte a que todo forma parte de una ilusión. Es la ilusión de nuestro mundo conformado a nuestra manera y bajo nuestro punto de vista. Quién sabe que mundo verían otras criaturas con distintos sentidos a los nuestros y con otras cualidades cerebrales que les permitiera conectarse con el entorno y con “su universo” de manera distinta a la nuestra…¡Verían otro mundo!
      Lo que podemos ver y entender está en función de lo que somos, de lo que tenemos para detectar el mundo que nos rodea y, a partir de ahí, nos formamos nuestra “propia realidad” que, no siempre, coincide con la realidad de la Naturaleza. De ahí, precisamente, que tengamos que experimentar y verificar una y cien mil veces lo que creemos haber encontrado…No podemos fiarnos ni de nosotros mismos.
      ¿Qué complejo es todo! ¡Qué enorme ignorancia descansa sobre nuestros hombros! ¿Podremos con tanta carga? Bueno, con una gran dosis de curiosidad, con la ilusión de descubrir, con nuestras ánsias de saber…, es posible que se nos olvide (al menos por momentos) que aún no sabemos…, lo que necesitaríamos saber para que, en los próximos siglos, la Humanidad pueda seguir existiendo.
      Saludos.

      La constante de Planck racionalizada se formula: ћ = h/2π = 1’054589×10-34 Js.

      Responder
  2. 2
    Fandila
    el 4 de octubre del 2011 a las 13:20

    Pero los cuantos: h ,G k… pese a unos valores obtenidos experimentalmente no son simples cantidades o números que encajan para que los sucesos físicos sean aceptables cuantitativamente.
    Los cuantos pueden interpretarse como más lógicos, y se adecuan más, a estructuras mínimas permitidas, ya sean para la energía, masa, actuación de las fuerzas o presiones gravitatorias, eléctricas… Pero dichas constantes por tratarse de estructuras materiales estandard no pueden circunscribirse a unas dimensiones determinadas. h no puede quedar ligada a la luz, aunque se descubriera con motivo de la luz, estructura que se corresponde con él. Se puede hablar con toda propiedad de tantos o cuantos haches de energía, pero tambien de sus fracciones cuantizadas por debajo de la dimensión luz, o sea por debajo de pLanck, otra cosa no sería lógica. Mas pareceria que nuestra macrodimensión la ligada a nosotros fuese algo especial, que nuestro ámbito existencial, que hasta ahora no va más alla del fotón, tuviese un trato de faor para ser el único. Todo porque no estamos dotados biológicamente para ver más allá de la luz´.
    El cuanto , no como cantidad o número, sino como la estructura más simple, tanto para G como para h, k… y cuantos sean, se adaptará en la pequeñez como lo hace hacía lo grande sin más que considerar una escala. La de h, 10^-34 para tamaño fotón, la de G, !0^-11 para tamaño átomo-proton… pero el verdadero significado del cuanto está en su “módulo” que viene a significas  un número no exacto de masas-energías, energías longitud, masas o masa superficies.
    La frontera de Planck constiuiría el limite de los cuantos, por cuanto no pudo establecerse para dimensiones más bajas que eran inaccesibles. No tanto ahora en que ya se comienza a dar los primeros pasos hacia la pequeñez más inmediata.
    Otra cosa sería la dificultad de aplicar los cuantos a un espacio tiempo plano, caso de que el el espacio tiempo plano puede existir. Habría que “planificarlos”, osea la conversión de sus estructuras volumétrica a planas(¿?).
    Saludos compañeros.

    Responder
  3. 3
    Tom Wood
    el 5 de enero del 2012 a las 13:10

    Disculpa que enlace, pero es por cuestion de tiempo.
    http://www.cienciakanija.com/2012/01/04/encordados/#comment-39258

    Responder
  4. 4
    emilio silvera
    el 6 de enero del 2012 a las 9:14

    Amigo Tom:
    Disculpado quedas y, al desplazarme hacia el enlace que nos dejas en Ciencia Kanija, todo queda claro y diáfano para entender lo que quieres expresar. No me he podido abstraer y he dejado un pequeño comentario que refrenda todo lo que allí exponer y con lo que estoy de acuerdo al cien por ciento.
    La Física es muy, pero que muy complicada y, llegar a algunas de las respuestas que tenemos planteadas…¡costará!
    Claro que, no por ello debemos dejar de insistir y perseverar en la búsqueda de esa verdad presentida. No rendirse es la única manera de conquistar los sueños.
    Un abrazo amigo mío.

    Responder

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